DE102021123702A1

DE102021123702A1 - Optoelektronische halbleiterschichtenfolge und optoelektronisches halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE102021123702A1
Application number: DE102021123702.5A
Authority: DE
Inventors: Daniel Richter; Gunnar Petersen
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2021-09-14
Filing date: 2021-09-14
Publication date: 2023-03-16
Also published as: WO2023041484A1; CN117941083A

Abstract

Es wird eine optoelektronische Halbleiterschichtenfolge angegeben, die Folgendes umfasst:- eine aktive Schicht zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung, und- zumindest eine Filterschicht, die zur zumindest teilweisen Absorption der von der aktiven Schicht erzeugten elektromagnetischen Strahlung mit Wellenlängen kleiner als einer vorgegebenen Grenzwellenlänge eingerichtet ist.Des Weiteren wird ein optoelektronisches Halbleiterbauelement angegeben.

Description

Es werden eine optoelektronische Halbleiterschichtenfolge und ein optoelektronisches Halbleiterbauelement angegeben.
Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, eine optoelektronische Halbleiterschichtenfolge und ein optoelektronisches Halbleiterbauelement mit einem verbesserten Emissionsspektrum anzugeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die optoelektronische Halbleiterschichtenfolge eine aktive Schicht zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung.
Insbesondere ist die aktive Schicht zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung zwischen einer p-dotierten Halbleiterschicht und einer n-dotierten Halbleiterschicht angeordnet. Bevorzugt ist die aktive Schicht zur Erzeugung spontaner Emission eingerichtet. Beispielsweise ist die optoelektronische Halbleiterschichtenfolge als lichtemittierende Diode ausgebildet. Zum Beispiel emittiert die aktive Schicht im Betrieb elektromagnetische Strahlung in einem infraroten Spektralbereich.
Die aktive Schicht weist beispielsweise eine Mehrfachquantentopfstruktur auf. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst im Rahmen der Anmeldung insbesondere jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss („confinement“) eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren können. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit u.a. Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Die optoelektronische Halbleiterschichtenfolge umfasst zum Beispiel ein III/V-Verbindungs-Halbleitermaterial. Ein III/V-Verbindungs-Halbleitermaterial weist wenigstens ein Element aus der dritten Hauptgruppe, wie beispielsweise B, Al, Ga, In, und ein Element aus der fünften Hauptgruppe, wie beispielsweise N, P, As, auf. Insbesondere umfasst der Begriff „III/V-Verbindungs-Halbleitermaterial“ die Gruppe der binären, ternären oder quaternären Verbindungen, die wenigstens ein Element aus der dritten Hauptgruppe und wenigstens ein Element aus der fünften Hauptgruppe enthalten, beispielsweise Nitrid- und Phosphid-Verbindungshalbleiter. Eine solche binäre, ternäre oder quaternäre Verbindung kann zudem zum Beispiel ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen.
Insbesondere weist die Halbleiterschichtenfolge ein Arsenid-Verbindungs-Halbleitermaterial auf, wobei die Halbleiterschichtenfolge oder zumindest ein Teil davon, besonders bevorzugt zumindest die aktive Schicht, vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-mAs umfasst, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n+m ≤ 1 ist. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al bzw. As, Ga, In), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Die optoelektronische Halbleiterschichtenfolge ist insbesondere durch ein epitaktisches Wachstumsverfahren hergestellt.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform umfasst die optoelektronische Halbleiterschichtenfolge zumindest eine Filterschicht, die zur zumindest teilweisen Absorption der von der aktiven Schicht erzeugten elektromagnetischen Strahlung mit Wellenlängen kleiner als einer vorgegebenen Grenzwellenlänge eingerichtet ist.
Die Filterschicht kann insbesondere durch ein epitaktisches Wachstumsverfahren hergestellt sein. Die Filterschicht kann epitaktisch auf die aktive Schicht aufgewachsen sein, wobei weitere Schichten epitaktisch zwischen der aktiven Schicht und der Filterschicht erzeugt sein können. Die Filterschicht und die aktive Schicht sind dann monolithisch integriert ausgebildet.
Beispielsweise absorbiert die Filterschicht mehr als 90 % der elektromagnetischen Strahlung mit Wellenlängen kleiner als der vorgegebenen Grenzwellenlänge. Bevorzugt wird die von der Filterschicht absorbierte elektromagnetische Strahlung nicht vollständig in Wärme umgewandelt, sondern von der Filterschicht zumindest teilweise bei oder in der Nähe der Grenzwellenlänge reemittiert. Dadurch kann eine Effizienz der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge erhöht werden.
Hier und im Folgenden bezeichnet die Effizienz der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge ein Verhältnis zwischen einer Leistung der im Betrieb abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung und einer elektrischen Leistung, die der Halbleiterschichtenfolge zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung zugeführt wird.
Ein hochenergetischer Anteil der im Betrieb emittierten elektromagnetischen Strahlung entsteht durch eine strahlende Rekombination von hochenergetischen Elektron-Loch Paaren in der aktiven Schicht. In der aktiven Schicht werden Elektron-Loch Paare bevorzugt durch externe Energiezufuhr, insbesondere durch Anlegen eines elektrischen Stroms angeregt. Die hochenergetischen Elektron-Loch Paare entstehen beispielsweise durch thermische Aktivierung und werden im Hochanregungsfall durch eine hohe Anzahl angeregter Elektron-Loch Paare in der aktiven Schicht begünstigt. Durch zumindest teilweise Absorption der hochenergetischen elektromagnetischen Strahlung in der Filterschicht wird die Anzahl der Elektron-Loch Paare in der aktiven Schicht beispielsweise um eine Größenordnung reduziert. Insbesondere wird dadurch die Anzahl hochenergetischer Elektron-Loch Paare reduziert. Somit führt die Filterschicht vorteilhaft auch zu einer verringerten Erzeugung hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung in der aktiven Schicht.
Die optoelektronische Halbleiterschichtenfolge kann auch mehrere Filterschichten aufweisen, zwischen denen beispielsweise Zwischenschichten angeordnet sind. Die Grenzwellenlänge kann für unterschiedliche Filterschichten gleich sein. Alternativ können sich Grenzwellenlängen für unterschiedliche Filterschichten unterscheiden, wobei die Filterschichten insbesondere unterschiedliche Halbleitermaterialien aufweisen können. Durch mehrere Filterschichten kann insbesondere die Anzahl hochenergetischer Elektron-Loch Paare in der aktiven Schicht verringert werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die optoelektronische Halbleiterschichtenfolge:

- eine aktive Schicht zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung, und
- zumindest eine Filterschicht, die zur zumindest teilweisen Absorption der von der aktiven Schicht erzeugten elektromagnetischen Strahlung mit Wellenlängen kleiner als einer vorgegebenen Grenzwellenlänge eingerichtet ist.

Eine Idee der hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge besteht darin, insbesondere sichtbare elektromagnetische Strahlung aus dem Emissionsspektrum einer licht-emittierenden Diode zu filtern. Beispielsweise weisen licht-emittierende Dioden mit einem im infraroten Spektralbereich um eine Wellenlänge von 940 Nanometern zentrierten Emissionsspektrum einen signifikanten Anteil der Emission im noch sichtbaren Spektralbereich auf. Zum Beispiel werden ungefähr 13% der im Betrieb abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung bei Wellenlängen kleiner oder gleich 910 Nanometer emittiert. Licht-emittierende Dioden dieser Art werden beispielsweise zur Positionsbestimmung oder zur Bewegungsdetektion im Innenraum von Fahrzeugen eingesetzt. Der im sichtbaren Spektralbereich emittierte Anteil der elektromagnetischen Strahlung wird dabei als störendes rötliches Leuchten wahrgenommen. Um dieses ungewollte rötliche Leuchten zu unterdrücken, erweist es sich als vorteilhaft den Anteil der im sichtbaren Spektralbereich emittierten elektromagnetischen Strahlung beispielsweise zu unterdrücken oder zu filtern.
Der hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge liegt nun unter anderem die Erkenntnis zu Grunds, dass sich zur Filterung insbesondere ein Halbleitermaterial mit einer direkten Bandlücke eignet, welches in einen optischen Pfad der licht-emittierenden Diode eingebracht wird. Halbleitermaterialien mit einer direkten Bandlücke weisen einen wellenlängenabhängigen Absorptionskoeffizienten mit einer scharfen Absorptionskante auf. Elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge, die kleiner als die Absorptionskante ist, wird insbesondere stark absorbiert. Beispielsweise kann der Absorptionskoeffizient für Galliumarsenid unterhalb der Absorptionskante Werte um 10^-6 pro Meter annehmen. Das heißt, eine Filterschicht mit einer Dicke von beispielsweise einem Mikrometer absorbiert ungefähr 63% der einfallenden elektromagnetischen Strahlung mit Wellenlängen, die kleiner als die Absorptionskante sind. Hier und im Folgenden wird mit „Dicke“ eine Ausdehnung der Filterschicht in Wachstumsrichtung der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge bezeichnet.
Durch geeignete Anpassung der direkten Bandlücke des Halbleitermaterials der Filterschicht an die Grenzwellenlänge, kann ein Großteil der elektromagnetischen Strahlung mit Wellenlängen kleiner als der Grenzwellenlänge, beispielsweise mehr als 90 %, aus dem Emissionsspektrum der licht-emittierenden Diode gefiltert werden. In der hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge wird eine Filterschicht, die insbesondere ein Halbleitermaterial mit einer direkten Bandlücke umfasst, bereits während des epitaktischen Wachstumsprozesses in die optoelektronische Halbleiterschichtenfolge eingebracht.
Ein Vorteil der hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge besteht darin, dass die von der Filterschicht absorbierte elektromagnetische Strahlung nicht vollständig in Wärme umgewandelt wird, sondern zumindest teilweise bei oder in der Nähe der Grenzwellenlänge reemittiert wird. Somit erhöht sich die Effizienz der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge. Des Weiteren reduziert die Filterschicht die Anzahl der Elektron-Loch Paare in der aktiven Schicht, weshalb im Betrieb insbesondere weniger elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen kleiner als der Grenzwellenlänge emittiert wird.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge liegt die Grenzwellenlänge zwischen einschließlich 900 Nanometern und einschließlich 925 Nanometern.
Bevorzugt weist die optoelektronische Halbleiterschichtenfolge ein Emissionsspektrum auf, das um eine Wellenlänge von ungefähr 940 Nanometer zentriert ist. Durch die Filterschicht wird ein Großteil der im sichtbaren Spektralbereich emittierten elektromagnetischen Strahlung, beispielsweise mehr als 90%, insbesondere bei Wellenlängen kleiner als 910 Nanometern absorbiert.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge umfasst die zumindest eine Filterschicht ein Halbleitermaterial mit einer direkten Bandlücke.
Eine direkte Bandlücke bezeichnet hier und im Folgenden einen minimalen energetischen Abstand zwischen einem Valenzband und einem Leitungsband des Halbleitermaterials, wobei eine maximale Energie des Valenzbandes und eine minimale Energie des Leitungsbandes bei einem gleichen Quasiimpuls beziehungsweise bei einem gleichen Wellenvektor liegen.
Halbleitermaterialien mit einer direkten Bandlücke weisen einen sprunghaften Anstieg des Absorptionskoeffizienten für elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen kleiner als der Wellenlänge auf, die der direkten Bandlücke entspricht. Dadurch sind Halbleitermaterialien mit einer direkten Bandlücke als optische Filter mit einer scharfen Absorptionskante besonders geeignet. Elektron-Loch-Paare, die durch Absorption von Photonen mit einer Energie größer als die der Bandlücke erzeugt werden, weisen eine kurze thermische Relaxationszeit auf. Beispielsweise relaxieren die Elektron-Loch-Paare innerhalb von ungefähr 10 Pikosekunden zum einem Minimum des Leitungsbandes beziehungsweise zu einem Maximum des Valenzbandes. Dort kann eine strahlende Rekombination der Elektron-Loch-Paare stattfinden, die beispielsweise um zwei Größenordnungen langsamer ist, als die thermische Relaxationszeit. Somit reemittieren Halbleitermaterialien mit einer direkten Bandlücke absorbierte Photonen zumindest teilweise bei einer Energie, die ungefähr der direkten Bandlücke entspricht.
Alternativ kann die zumindest eine Filterschicht ein Halbleitermaterial mit einer indirekten Bandlücke umfassen. Im Gegensatz zu Halbleitermaterialien mit einer direkten Bandlücke weisen Halbleitermaterialien mit einer indirekten Bandlücke keine scharfe Absorptionskante auf. Falls die strahlende Rekombination der durch Absorption elektromagnetischer Strahlung in der Filterschicht erzeugten Elektron-Loch-Paare nicht erwünscht ist, beispielsweise um eine erhöhte Emission in der Nähe der Grenzwellenlänge zu unterdrücken, kann ein Halbleitermaterial mit einer indirekten Bandlücke und einem niedrigen internen Quantenwirkungsgrad verwendet werden. Beispielsweise ist der interne Quantenwirkungsgrad kleiner als 0,1. Das heißt, nur 10 % der durch Absorption elektromagnetischer Strahlung erzeugten Elektron-Loch-Paare rekombinieren unter Aussendung von elektromagnetischer Strahlung, während 90 % der Elektron-Loch-Paare nicht-strahlend rekombinieren. Ein niedriger interner Quantenwirkungsgrad kann beispielsweise durch einen hohen Verunreinigungsgrad des Halbleitermaterials erreicht werden.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge liegt die direkte Bandlücke in einem Bereich, der einer Wellenlänge elektromagnetische Strahlung zwischen einschließlich 100 % und einschließlich 103 % der Grenzwellenlänge entspricht.
Da die Reemission der von der Filterschicht absorbierten elektromagnetischen Strahlung mit einer gewissen spektralen Breite erfolgt, entspricht die direkte Bandlücke bevorzugt einer Wellenlänge, die größer als die Grenzwellenlänge ist. Beispielsweise beträgt die Grenzwellenlänge 910 Nanometer, während das Halbleitermaterial der Filterschicht eine direkte Bandlücke aufweist, die einer Wellenlänge zwischen einschließlich 915 und einschließlich 920 Nanometern entspricht.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge umfasst die Filterschicht Indiumgalliumarsenid, Indiumphosphid, insbesondere In_xGa_1-xAs_yP_1-y mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1.
Indiumgalliumarsenid ist ein direkter Halbleiter, dessen direkte Bandlücke durch einen Indiumanteil eingestellt werden kann. Insbesondere weist Indiumgalliumarsenid eine direkte Bandlücke zwischen ungefähr 1,4 Elektronvolt für Galliumarsenid und ungefähr 0,4 Elektronvolt für Indiumarsenid auf. Bei einem Indiumanteil von beispielsweise 5 %, also x = 0.05 und y = 1, beträgt die direkte Bandlücke ungefähr 1,35 Elektronvolt, entsprechend einer Wellenlänge von ungefähr 918 Nanometern, und eignet sich somit für eine Filterschicht mit einer Grenzwellenlänge von ungefähr 910 Nanometern.
Indiumphosphid ist ein direkter Halbleiter mit einer direkten Bandlücke von ungefähr 1,344 Elektronvolt, entsprechend einer Wellenlänge von ungefähr 922 Nanometern. Indiumphosphid eignet sich somit ebenso als Filtermaterial für eine Filterschicht mit einer Grenzwellenlänge von ungefähr 910 Nanometern.
Um eine hohe Kristallqualität der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge zu gewährleisten, sollten Verspannungen innerhalb der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge vermieden werden. Eine niedrige Kristallqualität der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge führt insbesondere zu verstärkter nicht-strahlender Rekombination von Elektron-Loch Paaren in der aktiven Schicht und somit zu einer niedrigen Effizienz der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge. Um solche Verspannungen zu vermeiden, wird eine Kristallstruktur der Filterschicht bevorzugt an eine Kristallstruktur der aktiven Schicht angepasst. Durch Verwendung eines Indiumgalliumarsenidphosphid-Materialsystems in der Filterschicht kann beispielsweise ein Bereich an Gitterkonstanten zwischen ungefähr 0,565 Nanometern für Galliumarsenid und 0,587 Nanometern für Indiumphosphid abgedeckt werden.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge weist die zumindest eine Filterschicht eine Dicke zwischen einschließlich 0,4 Mikrometer und einschließlich 5 Mikrometer auf.
Beispielsweise weisen Galliumarsenid und Indiumphosphid Absorptionskoeffizienten in der Größenordnung von 10^-6 pro Meter für Photonen mit Energien größer als die der direkten Bandlücke auf. Durch die Dicke der Filterschicht zwischen 1 Mikrometer und 5 Mikrometer kann die Emission elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen kleiner der Grenzwellenlänge um mehr als eine Größenordnung reduziert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge ist die zumindest eine Filterschicht zwischen zwei Ummantelungsschichten angeordnet.
Die Ummantelungsschichten sind zu einem elektrischen Einschluss von Elektron-Loch-Paaren in der Filterschicht eingerichtet. Die Elektron-Loch-Paare in der Filterschicht werden insbesondere durch Absorption elektromagnetischer Strahlung erzeugt, die von der aktiven Schicht im Betrieb emittiert wird. Der elektrische Einschluss dieser Elektron-Loch-Paare erhöht eine Effizienz, mit der Elektron-Loch-Paare innerhalb der Filterschicht thermisch relaxieren und anschließend strahlend rekombinieren. Des Weiteren sind die Ummantelungsschichten zu einem optischen Einschluss der Filterschicht eingerichtet. Durch den optischen Einschluss wird eine Wahrscheinlichkeit der strahlenden Rekombination von Elektron-Loch-Paaren mit Energien größer als der direkten Bandlücke verringert. Insbesondere führen die Ummantelungsschichten zu einer höheren Wahrscheinlichkeit der Reabsorption von Photonen, die durch strahlende Rekombination in der Filterschicht erzeugt werden. Die reabsorbierten Photonen relaxieren beispielsweise thermisch und werden anschließend bei einer niedrigeren Energie reemittiert.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge weisen die Ummantelungsschichten eine größere Bandlücke auf als die Filterschicht.
Die Bandlücke der Ummantelungsschichten kann größer sein als Bandlücken der Filterschicht und der aktiven Schicht, insbesondere größer als Bandlücken von Barriereschichten einer Quantentopfstruktur oder einer Mehrfachquantentopfstruktur.
Des Weiteren können die Ummantelungsschichten eine Bandlücke aufweisen, die größer ist als Bandlücken aller anderen Halbleiterschichten der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge.
Elektron-Loch-Paare in der Filterschicht entstehen insbesondere durch Absorption im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung und nicht durch Anlegen eines elektrischen Stroms. Bevorzugt findet kein Transport elektrischer Ladungsträger in die Filterschicht statt. Aus diesem Grund können die Ummantelungsschichten eine besonders große Bandlücke aufweisen. Eine größere Bandlücke der Ummantelungsschichten führt zu einem stärkeren elektrischen Einschluss von Elektron-Loch-Paaren in der Filterschicht, die durch Absorption elektromagnetischer Strahlung erzeugt werden. Somit kann die Wahrscheinlichkeit zur strahlenden Rekombination in der Filterschicht erhöht und damit insbesondere die Effizienz der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge verbessert werden.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge ist die zumindest eine Filterschicht zwischen der aktiven Schicht und einer Hauptfläche der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge angeordnet, wobei die Hauptfläche zur Auskoppelung im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist. In anderen Worten ist die Filterschicht der aktiven Schicht in Abstrahlrichtung der elektromagnetischen Strahlung nachgeordnet.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge beträgt ein Abstand zwischen der aktiven Schicht und der Filterschicht zwischen einschließlich 0 Millimeter und einschließlich 1 Millimeter. Dabei bezeichnet der Abstand eine räumliche Ausdehnung zwischen der aktiven Schicht und der Filterschicht in Wachstumsrichtung der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge, insbesondere normal zu einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichten.
Es wird weiterhin ein optoelektronisches Halbleiterbauelement angegeben. Sämtliche für die optoelektronische Halbleiterschichtenfolge offenbarten Merkmale sind auch für das optoelektronische Halbleiterbauelement offenbart. Umgekehrt sind sämtliche für das optoelektronische Halbleiterbauelement offenbarten Merkmale auch für die optoelektronische Halbleiterschichtenfolge offenbart.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Halbleiterbauelement einen Träger, der zur elektrischen Kontaktierung zumindest eines optoelektronischen Halbleiterchips eingerichtet ist.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform umfasst das optoelektronische Halbleiterbauelement zumindest einen auf dem Träger angeordneten optoelektronischen Halbleiterchip, der zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist und eine Strahlungsauskoppelfläche aufweist.
Der optoelektronische Halbleiterchip ist insbesondere eine licht-emittierende Diode, beispielsweise ein Flip-Chip, und emittiert bevorzugt elektromagnetische Strahlung im infraroten Spektralbereich.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform umfasst das optoelektronische Halbleiterelement eine Filterschicht, die zumindest auf der Strahlungsauskoppelfläche angeordnet ist und ein Matrixmaterial mit darin eingebetteten Halbleiterpartikeln umfasst, wobei die Halbleiterpartikel zur zumindest teilweisen Absorption der im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung mit einer Wellenlänge kleiner als einer Grenzwellenlänge eingerichtet sind.
Das Matrixmaterial ist bevorzugt transparent für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung. Das Matrixmaterial umfasst beispielsweise ein Polymer, insbesondere Silikon oder ein Epoxid, und wird zum Beispiel über ein Sprühbeschichtungsverfahren auf die Strahlungsauskoppelfläche des optoelektronischen Halbleiterchips aufgebracht.
Die Halbleiterpartikel sind insbesondere zur zumindest teilweisen Absorption im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren Spektralbereich eingerichtet und weisen bevorzugt ein Halbleitermaterial mit einer direkten Bandlücke auf. Im Gegensatz zur Filterschicht der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge können die Halbleiterpartikel ein Halbleitermaterial aufweisen, dessen Gitterstruktur nicht an die Gitterstruktur des Halbleitermaterials der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge angepasst ist. Somit kann für die Halbleiterpartikel ein Halbleitermaterial mit einer passenden Bandlücke gewählt werden, unabhängig vom Halbleitermaterial, welches die optoelektronische Halbleiterschichtenfolge aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Halbleiterbauelement:

- einen Träger, der zur elektrischen Kontaktierung zumindest eines optoelektronischen Halbleiterchips eingerichtet ist,
- zumindest einen auf dem Träger angeordneten optoelektronischen Halbleiterchip zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung, der eine Strahlungsauskoppelfläche aufweist,
- eine Filterschicht, die zumindest auf der Strahlungsauskoppelfläche angeordnet ist und ein Matrixmaterial mit darin eingebetteten Halbleiterpartikeln umfasst, und die Halbleiterpartikel zur zumindest teilweisen Absorption im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge kleiner als einer Grenzwellenlänge eingerichtet sind.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements ist die Filterschicht als Verguss ausgebildet, der alle Flächen des optoelektronischen Halbleiterchips bedeckt, die nicht vom Träger bedeckt sind.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements liegt die Grenzwellenlänge zwischen einschließlich 900 Nanometer und einschließlich 920 Nanometer.
Insbesondere ist die Grenzwellenlänge so gewählt, dass vom optoelektronischen Halbleiterchip im Betrieb emittierte elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektralbereich von den Halbleiterpartikeln absorbiert wird. Für optoelektronische Halbleiterbauelemente mit einem optoelektronischen Halbleiterchip, der bevorzugt ein um eine Wellenlänge von 940 Nanometern zentriertes Emissionsspektrum aufweist, verringert die Filterschicht somit das störende rötliche Leuchten.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements weist der optoelektronische Halbleiterchip eine hier beschriebene optoelektronische Halbleiterschichtenfolge auf.
Insbesondere weist der optoelektronische Halbleiterchip in dieser Ausführungsform eine optoelektronische Halbleiterschichtenfolge mit einer Filterschicht auf, bei der die Filterschicht insbesondere ein Halbleitermaterial mit einer direkten Bandlücke umfasst. Durch eine beispielsweise als Verguss ausgebildete Filterschicht des optoelektronischen Halbleiterbauelements kann im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung gefiltert werden, die beispielsweise über Seitenflächen des optoelektronischen Halbleiterchips emittiert wird und somit nicht oder nicht vollständig durch die Filterschicht des Halbleiterchips gefiltert wird. Des Weiteren können die Halbleiterpartikel ein Halbleitermaterial aufweisen, welches sich vom Halbleitermaterial der Filterschicht der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge unterscheidet.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements weisen die Halbleiterpartikel einen mittleren Durchmesser von mehr als 1 Mikrometer auf.
Insbesondere sind die Halbleiterpartikel keine Nanopartikel und/oder keine Quantenpunkte. In anderen Worten sind die Halbleiterpartikel makroskopische Partikel, deren Bandstruktur nicht oder nur geringfügig durch einen mittleren Durchmesser der Halbleiterpartikel beeinflusst wird.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements weisen die Halbleiterpartikel ein Halbleitermaterial mit einer direkten Bandlücke auf.
Halbleitermaterialien mit einer direkten Bandlücke weisen eine scharfe Absorptionskante auf und eignen sich somit bevorzugt zur Absorption elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen kleiner als der Grenzwellenlänge, wobei die direkte Bandlücke ungefähr der Grenzwellenlänge entspricht.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements weisen die Halbleiterpartikel Indiumgalliumarsenid oder Indiumphosphid auf.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge und des optoelektronischen Halbleiterbauelements ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Die 1A bis 1C zeigen schematische Schnittdarstellungen von optoelektronischen Halbleiterschichtenfolgen gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele,
die 2A bis 2C zeigen schematische Schnittdarstellungen von Halbleiterchips gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele,
3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel,
4 zeigt ein schematisches Emissionsspektrum einer lichtemittierenden Diode.
Gleiche, gleichartige oder gleichwirkende 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.
Die 1A zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die optoelektronische Halbleiterschichtenfolge 1 ist als licht-emittierende Diode eingerichtet und weist zumindest eine p-dotierte Halbleiterschicht und zumindest eine n-dotierte Halbleiterschicht auf. Dazwischen ist eine aktive Schicht 2 angeordnet, die zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist. Bevorzugt emittierte die aktive Schicht 2 Licht im infraroten Spektralbereich, wobei das Emissionsspektrum 13 beispielsweise um eine Wellenlänge von 940 Nanometer zentriert ist.
Um störende elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektralbereich aus dem Emissionsspektrum 13 der Halbleiterschichtenfolge 1 zu filtern, ist eine Filterschicht 3 in der Halbleiterschichtenfolge 1 angeordnet. Die Filterschicht 3 umfasst ein Halbleitermaterial mit einer direkten Bandlücke, welches eine scharfe Absorptionskante aufweist. Insbesondere wird elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen, die kleiner als die Grenzwellenlänge 14 sind, von der Filterschicht 3 zumindest teilweise absorbiert. Die Filterschicht 3 weist eine Dicke zwischen 1 Mikrometer und 5 Mikrometer auf und absorbiert zumindest 90% der von der aktiven Schicht 2 emittierten elektromagnetischen Strahlung mit Wellenlängen kleiner als der Grenzwellenlänge 14.
Durch Absorption kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung werden in der Filterschicht 3 Elektron-Loch Paare erzeugt. Diese Elektron-Loch Paare relaxieren thermisch und emittieren elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz bei oder in der Nähe der direkten Bandlücke durch strahlende Rekombination. Somit wird von der Filterschicht 3 absorbierte elektromagnetische Strahlung nicht vollständig in Wärme umgewandelt, sondern zumindest teilweise bei oder in der Nähe der Grenzwellenlänge 14 reemittiert. Des Weiteren reduziert die Filterschicht 3 die Anzahl von hochenergetischen Elektron-Loch Paaren in der aktiven Schicht 2, beispielsweise um eine Größenordnung. Dadurch wird von der aktiven Schicht 2 insbesondere weniger Licht mit Wellenlängen kleiner als der Grenzwellenlänge 14 emittiert.
1B zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge 1. Im Gegensatz zu 1A ist hier die Filterschicht 3 zwischen zwei Ummantelungsschichten 4 angeordnet. Die Ummantelungsschichten 4 dienen sowohl dem elektrischen Einschluss von Elektron-Loch Paaren in der Filterschicht 3, als auch dem optischen Einschluss von elektromagnetischer Strahlung in der Filterschicht 3. Dadurch kann die Effizienz der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge 1 erhöht werden.
Bevorzugt findet kein Transport von elektrischen Ladungsträgern in die Filterschicht 3 statt. In anderen Worten werden Elektron-Loch Paare in der Filterschicht nicht durch Anlegen eines elektrischen Stroms, sondern durch Absorption im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung angeregt. Da bevorzugt kein elektrischer Transport von Ladungsträgern in die Filterschicht stattfindet, kann die Bandlücke der Ummantelungsschichten 4 sehr groß gewählt werden. Insbesondere ist die Bandlücke der Ummantelungsschichten 4 größer als die Bandlücken aller anderen Schichten der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge 1.
1C zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge 1. Im Gegensatz zu 1A sind in diesem Ausführungsbeispiel zwei Filterschichten 3 in der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge 1 angeordnet. Die beiden Filterschichten 3 sind auf einer Seite der aktiven Schicht 2 angeordnet, können aber auch auf unterschiedlichen Seiten der aktiven Schicht 2 angeordnet sein.
Da eine Filterschicht 3 hochenergetische Photonen absorbiert und zumindest teilweise in niederenergetische Photonen bei oder in der Nähe der Grenzwellenlänge 14 umwandelt, wird die Anzahl von hochenergetischen Elektron-Loch Paaren in der aktiven Schicht 2 beispielsweise um eine Größenordnung reduziert. Durch Einbringen mehrerer Filterschichten 3 in die optoelektronische Halbleiterschichtenfolge 1 kann die Anzahl von Elektron-Loch Paaren in der aktiven Schicht 2 entsprechend stärker reduziert werden.
2A zeigt ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips 5, der ein Trägersubstrat 7 mit einer darauf angeordneten Spiegelschicht 6 umfasst. Darauf ist eine Halbleiterschichtenfolge 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel angeordnet. Die Spiegelschicht 6 ist zur Reflexion elektromagnetischer Strahlung, die von der aktiven Schicht in Richtung des Trägersubstrats 7 emittiert wird, eingerichtet. Die Spiegelschicht 6 umfasst insbesondere eine reflektierende Schichtenfolge in Form eines dielektrischen Bragg-Reflektors. Alternativ kann die Spiegelschicht 6 auch eine metallische Schicht umfassen.
Zur Erhöhung einer Auskoppeleffizienz von im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung ist die Strahlungsauskoppelfläche 9 des optoelektronischen Halbleiterchips 5 aufgeraut, um Totalreflexion elektromagnetischer Strahlung an der Strahlungsauskoppelfläche 9 zu reduzieren. Da durch die Filterschicht 3 bevorzugt kein Transport elektrischer Ladungsträger stattfindet, ist die aktive Schicht 2 mit einem Kontakt 8 elektrisch kontaktiert, der von der Filterschicht 3 elektrisch isoliert ist.
2B zeigt ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips 5, bei dem die Filterschicht 3 zwischen zwei Ummantelungsschichten 4 angeordnet ist. Durch die Ummantelungsschichten 4 weist der optoelektronische Halbleiterchip im Vergleich zum Ausführungsbeispiel von 2A eine höhere Effizienz auf.
2C zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips 5, wobei im Vergleich zum Ausführungsbeispiel von 2B eine Ummantelungsschicht 4 als Randschicht der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge 1 angeordnet ist. Insbesondere wird die im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung über eine Strahlungsauskoppelfläche 9 der Ummantelungsschicht 4 vom optoelektronischen Halbleiterchip ausgekoppelt. Die Strahlungsauskoppelfläche 9 der Ummantelungsschicht 4 ist aufgeraut, um die Auskoppeleffizienz von im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung zu erhöhen.
3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das optoelektronische Halbleiterbauelement weist einen Träger 10 auf, auf dem ein optoelektronischer Halbleiterchip 5 zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung angeordnet ist, der eine Strahlungsauskoppelfläche 9 aufweist. Der optoelektronische Halbleiterchip weist ein um eine Wellenlänge von ungefähr 940 Nanometer zentriertes Emissionsspektrum 13 auf und ist über den Träger 10 und über einen Bonddraht elektrisch kontaktiert. Die nicht vom Träger 10 bedeckten Flächen des optoelektronischen Halbleiterchips 5 sind von einer Filterschicht 3 bedeckt. Die Filterschicht 3 umfasst ein Matrixmaterial 11, in dem Halbleiterpartikel 12 angeordnet sind. Das Matrixmaterial 11 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch ein Sprühbeschichtungsverfahren aufgebracht. Alternativ kann das Matrixmaterial 11 auch als Verguss ausgebildet sein.
Die Halbleiterpartikel 12 weisen einen mittleren Durchmesser von mehr als 1 Mikrometer auf und umfassen ein Halbleitermaterial mit einer direkten Bandlücke. Die Halbleiterpartikel 12 sind zur zumindest teilweisen Absorption von im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren Spektralbereich eingerichtet. Insbesondere beträgt die Grenzwellenlänge 14 in diesem Ausführungsbeispiel 910 Nanometer und die Halbleiterpartikel umfassen Indiumgalliumarsenid mit einem Indiumanteil von 5%.
4 zeigt ein schematisches Emissionsspektrum 13 einer licht-emittierenden Diode, das um eine Wellenlänge von ungefähr 940 Nanometer zentriert ist. Insbesondere ist die Intensität der im Betrieb emittierten elektromagnetischen Strahlung als Funktion der Wellenlänge gezeigt. In diesem Beispiel werden ungefähr 13% der elektromagnetischen Strahlung mit Wellenlängen kleiner als einer gewählten Grenzwellenlänge 14 von 910 Nanometern emittiert. Eine Idee der hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge 1 und des optoelektronischen Halbleiterbauelements ist es, die Emission von elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen kleiner als der Grenzwellenlänge 14 durch eine Filterschicht 3 um zumindest eine Größenordnung zu reduzieren. Dabei wird die Energie der von der Filterschicht 3 absorbierten elektromagnetischen Strahlung mit Wellenlängen kleiner als der Grenzwellenlänge 14 zumindest teilweise in elektromagnetische Strahlung bei oder in der Nähe der Grenzwellenlänge 14 umgewandelt. Insbesondere wird die von der Filterschicht 3 absorbierte elektromagnetische Strahlung nicht vollständig in Wärme umgewandelt. Dadurch wird die Effizienz der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge 1 und des optoelektronischen Halbleiterbauelements erhöht.
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.
Bezugszeichenliste

1: Halbleiterschichtenfolge
2: aktive Schicht
3: Filterschicht
4: Ummantelungsschicht
5: Halbleiterchip
6: Spiegelschicht
7: Trägersubstrat
8: Kontakt
9: Strahlungsauskoppelfläche
10: Träger
11: Matrixmaterial
12: Halbleiterpartikel
13: Emissionsspektrum
14: Grenzwellenlänge

Claims

Optoelektronische Halbleiterschichtenfolge (1) umfassend: - eine aktive Schicht (2) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung, und - zumindest eine Filterschicht (3), die zur zumindest teilweisen Absorption der von der aktiven Schicht (2) erzeugten elektromagnetischen Strahlung mit Wellenlängen kleiner als einer vorgegebenen Grenzwellenlänge (14) eingerichtet ist.
Optoelektronische Halbleiterschichtenfolge (1) nach dem vorherigen Anspruch, bei der die Grenzwellenlänge (14) zwischen einschließlich 900 Nanometern und einschließlich 925 Nanometern liegt.
Optoelektronische Halbleiterschichtenfolge (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die zumindest eine Filterschicht (3) ein Halbleitermaterial mit einer direkten Bandlücke umfasst.
Optoelektronische Halbleiterschichtenfolge (1) nach dem vorherigen Anspruch, bei der die direkte Bandlücke in einem Bereich liegt, der einer Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung zwischen einschließlich 100% und einschließlich 103% der Grenzwellenlänge (14) entspricht.
Optoelektronische Halbleiterschichtenfolge (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die zumindest eine Filterschicht (3) In_xGa_1-xAs_yP_1-y mit 0 ≤ x < 1 und 0 ≤ y ≤ 1 umfasst.
Optoelektronische Halbleiterschichtenfolge (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die zumindest eine Filterschicht (3) eine Dicke zwischen einschließlich 0,4 Mikrometer und einschließlich 5 Mikrometer aufweist.
Optoelektronische Halbleiterschichtenfolge (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die zumindest eine Filterschicht (3) zwischen zwei Ummantelungsschichten (4) angeordnet ist.
Optoelektronische Halbleiterschichtenfolge (1) nach dem vorherigen Anspruch, bei der die Ummantelungsschichten (4) eine größere Bandlücke aufweisen als die Filterschicht (3).
Optoelektronische Halbleiterschichtenfolge (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die zumindest eine Filterschicht (3) zwischen der aktiven Schicht (2) und einer Hauptfläche der optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge (1) angeordnet ist, wobei die Hauptfläche zur Auskopplung im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement umfassend: - einen Träger (10), der zur elektrischen Kontaktierung zumindest eines optoelektronischen Halbleiterchips (5) eingerichtet ist, - zumindest einen auf dem Träger (10) angeordneten optoelektronischen Halbleiterchip (5) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung, der eine Strahlungsauskoppelfläche (9) aufweist, - eine Filterschicht (3), die zumindest auf der Strahlungsauskoppelfläche (9) angeordnet ist und ein Matrixmaterial (11) mit darin eingebetteten Halbleiterpartikeln (12) umfasst, und die Halbleiterpartikel (12) zur zumindest teilweisen Absorption im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge kleiner als einer Grenzwellenlänge (14) eingerichtet sind.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach dem vorherigen Anspruch, bei dem die Filterschicht (3) als Verguss ausgebildet ist, der alle Flächen des optoelektronischen Halbleiterchips (5) bedeckt, die nicht vom Träger (10) bedeckt sind.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Grenzwellenlänge (14) zwischen einschließlich 900 Nanometern und einschließlich 920 Nanometern liegt.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der optoelektronische Halbleiterchip (5) eine optoelektronische Halbleiterschichtenfolge (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Halbleiterpartikel (12) einen mittleren Durchmesser von mehr als 1 Mikrometer aufweisen.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Halbleiterpartikel (12) ein Halbleitermaterial mit einer direkten Bandlücke aufweisen.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Halbleiterpartikel (12) Indiumgalliumarsenid oder Indiumphosphid aufweisen.