-
Es wird ein optoelektronischer Halbleiterchip angegeben.
-
Aus den Dokumenten
US 2008 / 0 036 038 A1 ,
WO 2011/ 067 872 A1 und
US 2007 / 0 041 214 A1 sind optoelektronische Halbleiterchips bekannt.
-
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen optoelektronischen Halbleiterchip anzugeben, der besonders effizient betrieben werden kann.
-
Diese Aufgabe wird von einem optoelektronischen Halbleiterchip mit:
- - einer Vielzahl aktiver Bereiche, die beabstandet zueinander angeordnet sind, und
- - einer reflektierenden Schicht, die an einer Unterseite der Vielzahl aktiver Bereiche angeordnet ist gelöst, wobei
- - zumindest einer der aktiven Bereiche eine Haupterstreckungsrichtung aufweist,
- - der zumindest eine aktive Bereich einen Kernbereich aufweist, der mit einem ersten Halbleitermaterial gebildet ist,
- - der zumindest eine aktive Bereich eine aktive Schicht aufweist, die den Kernbereich zumindest in Richtungen quer zur Haupterstreckungsrichtung des aktiven Bereichs bedeckt,
- - der zumindest eine aktive Bereich eine Deckschicht aufweist, die mit einem zweiten Halbleitermaterial gebildet ist und die aktive Schicht zumindest in Richtungen quer zur Haupterstreckungsrichtung des aktiven Bereichs bedeckt,
- - die reflektierende Schicht zur Reflexion von im Betrieb in der aktiven Schicht erzeugter elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist,
- - der zumindest eine aktive Bereich eine Stromaufweitungsschicht aufweist, die die Deckschicht zumindest in Richtungen quer zur Haupterstreckungsrichtung bedeckt, wobei die Stromaufweitungsschicht für im Betrieb in der jeweiligen aktiven Schicht erzeugte elektromagnetische Strahlung durchlässig ist,
- - ein Isolationsmaterial zwischen der Vielzahl aktiver Bereiche angeordnet ist, wobei das Isolationsmaterial für im Betrieb in der aktiven Schicht erzeugte elektromagnetische Strahlung durchlässig ist und das Isolationsmaterial die aktiven Bereiche zumindest in Richtungen quer zur Haupterstreckungsrichtung umgibt,
- - an der der reflektierenden Schicht abgewandten Seite der Vielzahl aktiver Bereiche eine Auskoppelungsschicht angeordnet ist, die Auskoppelstrukturen aufweist und mit dem ersten Halbleitermaterial gebildet ist, und
- - der zumindest eine aktive Bereich an seiner der reflektierenden Schicht zugewandten Unterseite eine Passivierungsschicht aufweist, die direkt an die reflektierende Schicht und den Kernbereich des zumindest einen aktiven Bereichs grenzt.
-
Bei dem hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchip handelt es sich insbesondere um einen strahlungsemittierenden optoelektronischen Halbleiterchip. Beispielsweise handelt es sich um einen optoelektronischen Halbleiterchip, der im Betrieb UV-Strahlung, sichtbares Licht oder Infrarotstrahlung abstrahlt. Bei dem optoelektronischen Halbleiterchip handelt es sich insbesondere um einen Leuchtdiodenchip. Ferner ist es möglich, dass es sich bei dem Halbleiterchip um einen strahlungsempfangenden optoelektronischen Halbleiterchip handelt, beispielsweise um eine Solarzelle oder um eine Fotodiode.
-
Der optoelektronische Halbleiterchip umfasst eine Vielzahl aktiver Bereiche, die beabstandet zueinander angeordnet sind. Im Betrieb des optoelektronischen Halbleiterchips wird in den aktiven Bereichen elektromagnetische Strahlung erzeugt, die den Halbleiterchip zumindest teilweise verlässt.
-
Der optoelektronische Halbleiterchip umfasst eine Vielzahl aktiver Bereiche, die jeweils in einem Abstand zueinander angeordnet sind. Dabei ist es möglich, dass die aktiven Bereiche an einer Unterseite und/oder an einer Oberseite durch ein weiteres Element miteinander verbunden sind. In diesem Fall sind die aktiven Bereiche in einem Bereich zwischen ihrer Unterseite und ihre Oberseite voneinander beabstandet und dort nicht miteinander verbunden.
-
Die aktiven Bereiche können beispielsweise nach Art eines regelmäßigen Gitters angeordnet sein. Das heißt, die aktiven Bereiche sind in vorgegebenen Abständen zueinander angeordnet, beispielsweise in einer Draufsicht auf die Oberseiten der aktiven Bereiche ist eine regelmäßige Gitterstruktur, wie beispielsweise die Struktur eines Rechteckgitters oder eines Dreieckgitters, erkennbar. Es ist jedoch auch eine zufällige Verteilung der aktiven Bereiche möglich.
-
Der optoelektronische Halbleiterchip umfasst eine reflektierende Schicht, die an der Unterseite der Vielzahl aktiver Bereiche angeordnet ist. Dabei ist es möglich, dass der optoelektronische Halbleiterchip eine einzige reflektierende Schicht umfasst, die alle aktiven Bereiche des optoelektronischen Halbleiterchips an ihrer Unterseite miteinander verbindet. Die aktiven Bereiche können an ihren Unterseiten dabei zumindest stellenweise direkt an die reflektierende Schicht grenzen.
-
Die reflektierende Schicht kann insbesondere elektrisch leitend ausgebildet sein. Die reflektierende Schicht dient dann zum elektrischen Anschluss der aktiven Bereiche, an deren Unterseite sie angeordnet ist. Beispielsweise ist die reflektierende Schicht dazu mit einem Metall gebildet. Zum Beispiel kann die reflektierende Schicht eines der folgenden Metalle enthalten oder aus einem der folgenden Metalle bestehen: Silber, Aluminium, Chrom, Rhodium, Nickel, Platin, Wolfram, Titan.
-
Ferner ist es möglich, dass die reflektierende Schicht zumindest stellenweise elektrisch isolierend ausgebildet ist. Die reflektierende Schicht kann dann eine dielektrischen Spiegel umfassen oder aus einem solchen bestehen.
-
Zumindest einer der aktiven Bereiche weist eine Haupterstreckungsrichtung auf. Das heißt, der aktive Bereich erstreckt sich nicht in jede Raumrichtung gleich weit, sondern es gibt eine Vorzugsrichtung, die Haupterstreckungsrichtung, in die der aktive Bereich seine größte Erstreckung aufweist.
-
Beispielsweise kann der aktive Bereich die Form eines Zylinders, die Form eines Kegelstumpfes oder die Form eines Prismas, insbesondere mit hexagonaler oder dreieckiger Grundfläche, aufweisen. Die Haupterstreckungsrichtung ist dann diejenige Richtung, in welche die Höhe des Zylinders oder des Kegelstumpfes bestimmt wird. Mit anderen Worten ist der zumindest eine aktive Bereich durch einen länglich gestreckten, dreidimensionalen Körper gebildet und weist beispielsweise nicht die Form einer Kugel oder eines Würfels auf. Ferner handelt es sich beim aktiven Bereich nicht um eine durchgängige, unstrukturierte Fläche.
-
Zumindest einer der aktiven Bereiche weist einen Kernbereich auf, der mit einem ersten Halbleitermaterial gebildet ist. Das erste Halbleitermaterial weist dabei einen ersten Leitungstyp auf. Beispielsweise ist das erste Halbleitermaterial n-leitend ausgebildet. Das erste Halbleitermaterial kann beispielsweise auf einem n-dotierten III/V-Halbleitermaterial-System basieren. Beispielsweise basiert das erste Halbleitermaterial auf einem n-dotierten Nitrid-Halbleitermaterial-System. Insbesondere kann das erste Halbleitermaterial dann auf n-leitendem GaN, InGaN, AlGaN oder AlInGaN basieren.
-
Der Kernbereich des aktiven Bereichs erstreckt sich insbesondere entlang der Haupterstreckungsrichtung und kann die gleiche Form wie der aktive Bereich aufweisen. Ist der aktive Bereich beispielsweise in der Form eines Zylinders oder Prismas ausgebildet, so kann auch der Kernbereich die Form eines Zylinders aufweisen. Der Kernbereich kann dann insbesondere als Vollkörper ausgebildet sein, der aus dem ersten Halbleitermaterial besteht.
-
Der zumindest eine aktive Bereich weist eine aktive Schicht, die den Kernbereich zumindest in Richtungen quer zur Haupterstreckungsrichtung des aktiven Bereichs bedeckt. Der Kernbereich weist beispielsweise eine Mantelfläche auf, die mit dem Material der aktiven Schicht insbesondere vollständig bedeckt sein kann. Der Kernbereich kann dabei direkt an die aktive Schicht grenzen. Im Betrieb des optoelektronischen Halbleiterchips wird die vom optoelektronischen Halbleiterchip erzeugte Strahlung im aktiven Bereich und dort insbesondere in der aktiven Schicht erzeugt. Im Rahmen der Herstellungstoleranz weist die aktive Schicht vorzugsweise eine gleichmäßige Dicke auf.
-
Der zumindest eine aktive Bereich weist eine Deckschicht auf, die mit einem zweiten Halbleitermaterial gebildet ist und die aktive Schicht zumindest in Richtungen quer zur Haupterstreckungsrichtung des aktiven Bereichs bedeckt. Beispielsweise ist dann die aktive Schicht zwischen der Deckschicht und dem Kernbereich angeordnet. Die Deckschicht kann dabei insbesondere die aktive Schicht vollständig bedecken. Im Rahmen der Herstellungstoleranz weist die Deckschicht vorzugsweise eine gleichmäßige Dicke auf.
-
Bei dem zweiten Halbleitermaterial handelt es sich um ein Halbleitermaterial eines zweiten Leitungstyps, der vom ersten Leitungstyp verschieden ist. Insbesondere kann das zweite Halbleitermaterial auf dem gleichen Halbleitermaterialsystem wie das erste Halbleitermaterial basieren, dabei jedoch eine andere Dotierung aufweisen. Ist das erste Halbleitermaterial beispielsweise n-leitend gebildet, so ist das zweite Halbleitermaterial p-leitend gebildet. Zum Beispiel basiert das zweite Halbleitermaterial auf p-GaN, p-InGaN, p-AlGaN oder p-AlInGaN, wenn das erste Halbleitermaterial auf n-GaN, n-InGaN, n-AlGaN oder n-AlInGaN basiert.
-
Die reflektierende Schicht ist zur Reflexion von im Betrieb in der aktiven Schicht erzeugter elektromagnetischer Strahlung eingerichtet. Das heißt, die reflektierende Schicht ist mit einem Material gebildet, das für die in der aktiven Schicht erzeugte elektromagnetische Strahlung reflektierend ist und die reflektierende Schicht ist derart angeordnet, dass zumindest ein Teil der von der aktiven Schicht erzeugten elektromagnetischen Strahlung auf die reflektierende Schicht trifft. Die elektromagnetische Strahlung verlässt den optoelektronischen Halbleiterchip beispielsweise an einer Seite, die an einer der reflektierenden Schicht abgewandten Seite des aktiven Bereichs liegt.
-
Der Halbleiterchip umfasst eine Vielzahl aktiver Bereiche, die beabstandet zueinander angeordnet sind. Weiter umfasst der optoelektronische Halbleiterchip eine reflektierende Schicht, die an einer Unterseite der Vielzahl aktiver Bereiche angeordnet ist. Dabei weist zumindest einer der aktiven Bereiche eine Haupterstreckungsrichtung auf, der aktive Bereich weist einen Kernbereich auf, der mit einem ersten Halbleitermaterial gebildet ist, der aktive Bereich weist eine aktive Schicht auf, die den Kernbereich zumindest in Richtungen quer zur Haupterstreckungsrichtung des aktiven Bereichs bedeckt, der aktive Bereich weist eine Deckschicht auf, die mit einem zweiten Halbleitermaterial gebildet ist und die aktive Schicht zumindest in Richtung quer zur Haupterstreckungsrichtung des aktiven Bereichs bedeckt, und die reflektierende Schicht ist zur Reflexion von im Betrieb in der aktiven Schicht erzeugter elektromagnetischer Strahlung eingerichtet.
-
Dabei umfasst der optoelektronische Halbleiterchip vorzugsweise eine Vielzahl aktiver Bereiche, die zum Beispiel gleichartig aufgebaut sind. Im Rahmen der Herstellungstoleranz können diese aktiven Bereiche dann gleich ausgebildet sein. Das heißt, jeder der aktiven Bereiche umfasst dann einen Kernbereich, eine aktive Schicht und eine Deckschicht, die im Rahmen der Herstellungstoleranz eine jeweils gleiche Materialzusammensetzung aufweisen. Insbesondere ist es möglich, dass im Rahmen der Herstellungstoleranz alle aktiven Bereiche des optoelektronischen Halbleiterchips gleich ausgebildet sind. Ist es jedoch auch möglich, dass der optoelektronische Halbleiterchip eine Vielzahl aktiver Bereiche umfasst, die zumindest teilweise unterschiedlich ausgebildet sind. Zum Beispiel können sich die aktiven Bereiche hinsichtlich Dicke und Zusammensetzung voneinander unterscheiden. Damit können unterschiedliche aktive Bereiche Licht unterschiedlicher Farbe emittieren, so dass der Hableiterchip insgesamt zum Beispiel weißes Licht emittiert.
-
Vorzugsweise basieren alle aktiven Bereich des Halbleiterchips auf einem III/V-Halbleitermaterial-System, insbesondere auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial.
-
„Auf Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basierend“ bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die aktiven Bereiche ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise AlnGamIn1-n-mN aufweisen oder aus diesem bestehen, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n+m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
-
Die Effizienz insbesondere GaN-basierter Leuchtdioden ist unter Betriebstrom-Bedingungen durch den so genannten „Droop“-Effekt begrenzt. Dieser Effekt bezeichnet einen signifikanten Abfall der Effizienz mit steigender Strombeziehungsweise Ladungsträgerdichte. Typische Betriebsströme liegen daher deutlich jenseits des Maximums der Effizienz-Kurve. Um zu höheren Effizienzen bei gleichbleibendem Strom vorzustoßen, ist daher eine Reduktion der lokalen Ladungsträgerdichte vorteilhaft. Dies könnte beispielsweise durch eine Vergrößerung der Querschnittsfläche des optoelektronischen Halbleiterchips oder durch eine Erhöhung der Anzahl von aktiven Schichten erreicht werden. Beide Ansätze weisen jedoch Probleme auf.
-
So ist die Vergrößerung der Querschnittsfläche für viele Anwendungen, zum Beispiel dem Einsatz des optoelektronischen Halbleiterchips in einem Projektionsgerät, nicht praktikabel, da diese Vergrößerung mit einer Erhöhung der Etendue einhergeht. Zudem ist diese Lösung auch stets mit einer Kostenerhöhung verbunden, die überproportional zur Erhöhung der Querschnittsfläche des Halbleiterchips ist.
-
Die Erhöhung der Anzahl und/ der Dicke der aktiven Schicht ist durch die Tatsache limitiert, dass Barrieren zwischen den Schichten, insbesondere durch Piezo-Felder hervorgerufen, den Ladungsträgertransport behindern und damit einer gleichmäßigen Bestromung aller Schichten entgegenwirken.
-
Beim hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchip sind die aktiven Bereiche zum Beispiel als „Core-Shell Nano- oder Microrods“, also als Kern-Hülle-Nano- oder Mikrostäbe, ausgebildet. Durch die Aufteilung des strahlungsemittierenden Bereichs des optoelektronischen Halbleiterchips in eine Vielzahl aktiver Bereiche, also zum Beispiel einer Vielzahl von Kern-Hülle-Nanostäbe, ist die Oberfläche, durch die im Betrieb im Halbleiterchip erzeugte elektromagnetische Strahlung aus den aktiven Schichten austritt, gegenüber einem optoelektronischen Halbleiterchip, der einen einzigen aktiven Bereich aufweist, welcher zum Beispiel unstrukturiert ist, erhöht. Auf diese Weise ist die Effizienz des Halbleiterchips erhöht.
-
Auch die reflektierende Schicht an einer Unterseite der aktiven Bereiche trägt direkt zur Erhöhung der Effizienz bei, da durch die reflektierende Schicht die im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung in eine Vorzugsrichtung gelenkt werden kann.
-
Aufgrund der Tatsache, dass ein hier beschriebener optoelektronischer Halbleiterchip eine Vielzahl aktiver Bereiche aufweist, sind eine signifikante Vergrößerung der aktiven Fläche und damit eine Steigerung der Effizienz unter Betriebstrom-Bedingungen bei reduzierter Ladungsträgerdichte erreicht. Ferner kann beim epitaktischen Wachstum der aktiven Bereiche, die voneinander beabstandet sind, gegenüber einer geschlossenen zweidimensionalen Schicht eine Verringerung von Verspannungen im Halbleitermaterial der aktiven Bereiche erreicht werden.
-
Insbesondere ist es möglich, dass ein hier beschriebener optoelektronischer Halbleiterchip mehr als 1000, bevorzugt mehr als 10 000, insbesondere mehr als 100 000 oder mehr als 1 Million aktiver Bereiche umfasst.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips ist das erste Halbleitermaterial epitaktisch auf ein Aufwachssubstrat abgeschieden, wobei der optoelektronische Halbleiterchip selbst kein Aufwachssubstrat mehr aufweist und daher frei von einem Aufwachssubstrat ist. Mit anderen Worten wird das Aufwachssubstrat nach Fertigstellung der aktiven Bereiche von den epitaktisch abgeschiedenen Schichten des optoelektronischen Halbleiterchips entfernt. Dabei handelt es sich um ein Merkmal, das den optoelektronischen Halbleiterchip als Gegenstand charakterisiert, da durch Analyse des optoelektronischen Halbleiterchips nachgewiesen werden kann, dass das Aufwachssubstrat von den epitaktisch abgeschiedenen Schichten entfernt wurde.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips verläuft die Wachstumsrichtung des ersten Halbleitermaterials im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsrichtung. Das heißt, im Rahmen der Herstellungstoleranz verläuft die Wachstumsrichtung des ersten Halbleitermaterials parallel zur Haupterstreckungsrichtung. Die Wachstumsrichtung des aktiven Bereichs kann auf dem oberen Ende des Kernbereichs optional längs zur Haupterstreckungsrichtung verlaufen. Das erste Halbleitermaterial des Kernbereichs des zumindest einen aktiven Bereichs wird also in der Haupterstreckungsrichtung aufgewachsen. Die aktive Schicht sowie die Deckschicht des aktiven Bereichs bedecken den Kernbereich in Richtungen, die quer zur Wachstumsrichtung des Halbleitermaterials des Kernbereichs verlaufen.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips weist der aktive Bereich eine Länge auf, die in Haupterstreckungsrichtung bestimmt wird. Das heißt, die Länge des aktiven Bereichs wird entlang der Haupterstreckungsrichtung gemessen. Weiter weist der aktive Bereich einen Durchmesser auf, der in eine Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung bestimmt wird, also in einer Ebene, zu der die Haupterstreckungsrichtung senkrecht ist, verläuft. Der Durchmesser kann entlang der Haupterstreckungsrichtung variieren. Das Verhältnis von Länge zu maximalem Durchmesser des aktiven Bereichs, vorzugsweise aller aktiven Bereiche des optoelektronischen Halbleiterchips, ist dabei wenigstens drei, insbesondere wenigstens fünf, zum Beispiel zwischen wenigstens fünf und höchstens 20.
-
Der Durchmesser des aktiven Bereichs kann dabei zwischen wenigstens 100 nm und höchstens 25 µm liegen. Im Hinblick auf eine Verbesserung der Materialqualität, insbesondere im Hinblick auf die Reduzierung von Versetzungen im Halbleitermaterial des aktiven Bereichs, erweisen sich aktive Bereiche mit einem Durchmesser von wenigstens 100 nm und höchstens 3 µm, insbesondere höchstens 1 µm, als besonders vorteilhaft. Bei solch dünnen aktiven Bereichen durchsetzen Versetzungen den aktiven Bereich in der Regel nicht entlang seiner Gesamtlänge, sondern enden aufgrund der geringen Dicke nach relativ kurzen Weglängen an einer Mantelfläche des aktiven Bereichs, ohne sich über den gesamten aktiven Bereich zu erstrecken. Ferner ist es möglich, dass die Versetzungen sich entlang der Gesamtlänge des Kernbereichs des aktiven Bereichs erstrecken, die aktive Schicht auf der Außenfläche des Kernbereichs jedoch nicht durchdringen
-
Die aktiven Bereiche sind dabei vorzugsweise in hoher Dichte, das heißt mit einem hohen Füllfaktor angeordnet. Der Füllfaktor entspricht dabei dem Verhältnis der Fläche der reflektierenden Schicht, die an die aktiven Bereiche grenzt, zur Gesamtfläche der Oberseite der reflektierenden Schicht, die den aktiven Bereichen zugeordnet ist. Der Füllfaktor beträgt vorzugsweise wenigstens 20 %, insbesondere wenigstens 50 %, zum Beispiel wenigstens 75 %. Dadurch ist eine besonders signifikante Vergrößerung der aktiven Fläche des optoelektronischen Halbleiterchips erreicht.
-
Der zumindest eine aktive Bereich weist eine Stromaufweitungsschicht auf, welche die Deckschicht zumindest in Richtungen quer zur Haupterstreckungsrichtung bedeckt, wobei die Stromaufweitungsschicht für im Betrieb in der aktiven Schicht erzeugte elektromagnetische Strahlung durchlässig ist. Die Stromaufweitungsschicht dient dazu, einen elektrischen Strom besonders gleichmäßig über die Deckschicht zu verteilen. Die Stromaufweitungsschicht steht dabei insbesondere in direktem Kontakt zur Deckschicht und kann diese vollständig bedecken. Ist die Deckschicht beispielsweise mit einem p-leitenden Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial gebildet, so weist sie eine relativ geringe Querleitfähigkeit auf. Die Stromaufweitungsschicht führt daher zu einer gleichmäßigem Bestromung der aktiven Schicht des aktiven Bereichs. Die Stromaufweitungsschicht bedeckt die Deckschicht vorzugsweise als Schicht, die im Rahmen der Herstellungstoleranz eine gleichmäßige Dicke aufweist.
-
Die Stromaufweitungsschicht ist für im aktiven Bereich erzeugte elektromagnetische Strahlung durchlässig ausgebildet. Das heißt, die Stromaufweitungsschicht ist strahlungsdurchlässig.
-
Hier und im Folgenden bedeutet der Begriff „strahlungsdurchlässig“, dass die strahlungsdurchlässige Komponente wenigstens 75 % der durch sie tretenden elektromagnetischen Strahlung der aktiven Schicht passieren lässt, ohne diese Strahlung zu absorbieren. Die strahlungsdurchlässige Komponente kann dabei milchig, trüb oder klarsichtig, transparent ausgebildet sein.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips ist die Stromaufweitungsschicht mit einem transparenten leitfähigen Oxid (TCO - transparent conductive oxide) gebildet. Beispielsweise eignen sich zur Bildung der Stromaufweitungsschicht Materialien wie ITO oder ZnO.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips erstreckt sich die Stromaufweitungsschicht über zumindest einen Großteil der Länge des aktiven Bereichs. Insbesondere ist es möglich, dass die Stromaufweitungsschicht die Deckschicht über die gesamte Länge des aktiven Bereichs gleichmäßig bedeckt und dabei vollständig abdeckt.
-
Ein Isolationsmaterial ist zwischen der Vielzahl aktiver Bereiche angeordnet, wobei das Isolationsmaterial für im Betrieb in der aktiven Schicht erzeugte elektromagnetische Strahlung durchlässig ist und das Isolationsmaterial die Vielzahl aktiver Bereiche zumindest in Richtungen quer zur Haupterstreckungsrichtung umgibt. Mit anderen Worten ist das Isolationsmaterial in die Zwischenräume zwischen den aktiven Bereichen verfüllt und das Isolationsmaterial kann diese Zwischenräume ausfüllen, insbesondere vollständig ausfüllen. Das Isolationsmaterial ist dabei elektrisch isolierend und strahlungsdurchlässig ausgebildet. Beispielsweise eignen sich Materialien wie Aluminiumoxid (AlOx), Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder Polymere als Isolationsmaterialien.
-
Neben einer elektrischen Entkopplung der einzelnen aktiven Bereiche sorgt das Isolationsmaterial für einen Schutz der aktiven Bereiche vor mechanischer Beschädigung, atmosphärischen Gasen und Feuchtigkeit. Darüber hinaus kann das Isolationsmaterial als Planarisierungsschicht Verwendung finden, auf die die reflektierende Schicht zumindest stellenweise aufgebracht wird. Zum Beispiel schließt das Isolationsmaterial dazu an der Unterseite der aktiven Bereiche bündig mit diesen ab. Die reflektierende Schicht kann auf diese Weise auf eine glatte Fläche aufgebracht werden, welche durch die Unterseiten der aktiven Bereiche sowie das Isolationsmaterial gebildet ist.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips grenzt das Isolationsmaterial zumindest stellenweise direkt an die Außenfläche des aktiven Bereichs. Zum Beispiel bedeckt das Isolationsmaterial die Mantelfläche eines jeden aktiven Bereichs vollständig und grenzt dort direkt an die äußerste Schicht des aktiven Bereichs, insbesondere die Stromaufweitungsschicht. In diesem Fall bettet das Isolationsmaterial die aktiven Bereiche ein.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips ist an der der reflektierenden Schicht abgewandten Seite der Vielzahl aktiver Bereiche eine Maskenschicht angeordnet, wobei die Maskenschicht für jeden der aktiven Bereiche eine Öffnung aufweist, die vom ersten Halbleitermaterial durchdrungen ist. Zur Herstellung der aktiven Bereiche wird beispielsweise eine Maskenschicht auf eine Schicht aus erstem Halbleitermaterial aufgebracht. Die Maskenschicht weist Öffnungen zur Schicht aus erstem Halbleitermaterial auf. Das erste Halbleitermaterial, welches den Kernbereich eines jeden aktiven Bereichs bildet, wächst dann nur im Bereich der Öffnungen auf die Schicht aus erstem Halbleitermaterial auf. Durch die Form und den Durchmesser der Öffnungen in der Maskenschicht wird die Form des Querschnitts und der Durchmesser des Kernbereichs eines jeden aktiven Bereichs bestimmt. Die Maskenschicht verbleibt im fertig gestellten optoelektronischen Halbleiterchip. Ihre Öffnungen sind von erstem Halbleitermaterial durchdrungen.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips ist die Maskenschicht für im Betrieb in der aktiven Schicht erzeugte elektromagnetische Strahlung durchlässig. Die Maskenschicht kann dazu beispielsweise aus dem gleichen Material wie die Isolationsschicht gebildet sein.
-
An der der reflektierenden Schicht abgewandten Seite der Vielzahl aktiver Bereiche ist eine Auskopplungsschicht angeordnet, die mit dem ersten Halbleitermaterial gebildet ist. Bei der Auskopplungsschicht handelt es sich beispielsweise um diejenige Schicht aus erstem Halbleitermaterial, auf welche die Maskenschicht aufgebracht ist und auf welche - in den Öffnungen der Maskenschicht - ein epitaktisches Wachstum der Kernbereiche der aktiven Bereiche erfolgt. Im Betrieb des optoelektronischen Halbleiterchips wird ein Großteil, also wenigstens 50 %, insbesondere wenigstens 75 %, der vom optoelektronischen Halbleiterchip emittierten elektromagnetischen Strahlung durch die Auskopplungsschicht hindurch aus dem Halbleiterchip ausgekoppelt. Die Auskoppelungsschicht kann dabei an ihrer der reflektierenden Schicht abgewandten Seite eine regelmäßige oder eine unregelmäßige Strukturierung aufweisen, welche die Wahrscheinlichkeit für die Auskopplung erhöht.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips ist das erste Halbleitermaterial der Auskoppelungsschicht mit dem ersten Material in den Kernbereich der aktiven Bereiche durch die Öffnungen in der Maskenschicht hindurch verbunden. Das heißt, die Kernbereiche der aktiven Bereiche sind mit der Auskopplungsschicht monolithisch integriert.
-
Der zumindest eine aktive Bereich weist an seiner der reflektierenden Schicht zugewandten Unterseite eine Passivierungsschicht auf, die direkt an die reflektierende Schicht und den Kernbereich des aktiven Bereichs grenzt. Mit anderen Worten können die Deckschicht und die aktive Schicht, gegebenenfalls auch die Stromaufweitungsschicht, an der Unterseite des aktiven Bereichs entfernt sein. Dadurch ist es beispielsweise möglich, dass die aktiven Bereiche n-seitig durch die reflektierende Schicht kontaktiert werden. Eine Kontaktierung der p-Seite der aktiven Bereiche kann dann durch eine Kontaktierung beispielsweise der Stromaufweitungsschicht erfolgen. Auf diese Weise ist es möglich, dass die der reflektierenden Schicht abgewandte Seite der Auskopplungsschicht frei von einem Kontaktmaterial zum Anschluss des Halbleiterchips ist.
-
Im Folgenden werden hier beschriebene optoelektronische Halbleiterchips und Verfahren zu seiner Herstellung in Verbindung mit Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
- Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchips in einer schematischen Perspektivdarstellung.
- Anhand der schematischen Schnittdarstellungen der 2A bis 2M ist ein Verfahren zur Herstellung eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchips näher erläutert.
- Anhand der schematischen Schnittdarstellungen der 3A bis 3L ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchips näher erläutert.
-
In den Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Bestandteile und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Bestandteile, wie zum Beispiel Schichten, Strukturen, Komponenten und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
-
Die 1 zeigt eine schematische Perspektivdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchips. Der optoelektronische Halbleiterchip umfasst eine Vielzahl aktiver Bereiche 1. Die aktiven Bereiche 1 weisen vorliegend jeweils die Form eines Zylinders auf. Jeder aktive Bereich 1 erstreckt sich entlang der Haupterstreckungsrichtung R. Die aktiven Bereiche 1 sind an den Gitterpunkten eines regelmäßigen Gitters, vorliegend ein Dreiecksgitter, angeordnet. In der 1 ist eine Einheitszelle 100 des Gitters angedeutet.
-
Jeder der aktiven Bereiche umfasst einen Kernbereich 10. Der Kernbereich 10 ist mit einem n-dotierten GaN-basierten ersten Halbleitermaterial gebildet. Der Kernbereich 10 weist ebenfalls die Form eines Zylinders auf. Die Mantelfläche dieses Zylinders ist vollständig von der aktiven Schicht 11 bedeckt, in der im Betrieb des optoelektronischen Halbleiterchips elektromagnetische Strahlung erzeugt wird.
-
Die aktive Schicht 11 weist die Form eines Hohl-Zylinders auf, dessen Innenfläche vollständig mit dem ersten Halbleitermaterial des Kernbereichs 10 bedeckt ist. Die Außenfläche der aktiven Schicht 11 ist vollständig von einer Deckschicht 12 bedeckt, die im Ausführungsbeispiel der 1 mit einem p-dotierten GaN-basierten zweiten Halbleitermaterial gebildet ist.
-
Die der aktiven Schicht 11 abgewandte Außenfläche der Deckschicht 12 ist vollständig mit der Stromaufweitungsschicht 13 bedeckt. Die Stromaufweitungsschicht 13 ist für in der aktiven Schicht 11 erzeugte elektromagnetische Strahlung strahlungsdurchlässig ausgebildet und besteht aus einem TCO-Material, zum Beispiel ITO.
-
Die Zwischenräume zwischen den aktiven Bereichen 1 sind mit einem Isolationsmaterial 4 ausgefüllt, das direkt an die den Kernbereich 10 abgewandte Außenfläche der Stromaufweitungsschicht 13 grenzt. Das Isolationsmaterial 13 ist für in der aktiven Schicht 11 erzeugte elektromagnetische Strahlung durchlässig ausgebildet und ist elektrisch isolierend. Beispielsweise besteht das Isolationsmaterial 4 aus Siliziumdioxid. Das Isolationsmaterial 4 kann beispielsweise mittels Aufschleudern, Aufdampfen, Sputtern, ALD oder CVD aufgebracht sein.
-
Jeder aktive Bereich 1 weist an seiner Unterseite 1b eine Passivierungsschicht 14 auf, die den Kernbereich 10 ringförmig umschließt und direkt an das erste Halbleitermaterial des Kernbereichs 10 grenzt. Im Bereich der Passivierungsschicht 14 sind der Kernbereich 10, die aktive Schicht 11 und die Deckschicht 12 entfernt oder neutralisiert, zum Beispiel mittels Ionen-Implantation. In diesem Fall kann durch den flächigen Metallkontakt der reflektierenden Schicht 2 die p-Seite kontaktiert werden. Alternativ können im Bereich der Passivierungsschicht 14 die aktive Schicht 11, die Deckschicht 12 und die Stromaufweitungsschicht 13 entfernt oder neutralisiert, zum Beispiel mittels Ionen-Implantation, sein. In diesem Fall wird über die reflektierende Schicht die n-Seite angeschlossen.
-
Die Passivierungsschicht 14 kann mit einem elektrisch isolierenden Material gebildet sein und beispielsweise aus dem Isolationsmaterial 4 bestehen. Ferner ist es möglich, dass die Passivierungsschicht 14 durch Neutralisation von Halbleitermaterial erzeugt ist.
-
An der Unterseite 1b der aktiven Bereiche 1 ist eine reflektierende Schicht 2 angeordnet. Die reflektierende Schicht 2 ist zur Reflexion von in der aktiven Schicht 11 erzeugter elektromagnetischer Strahlung vorgesehen. Dabei ist die reflektierende Schicht 2 vorzugsweise elektrisch leitend ausgebildet und dient zum elektrischen Anschluss der aktiven Bereiche 1. Aufgrund des Vorhandenseins der Passivierungsschicht 14 schließt die reflektierende Schicht 2 vorliegend die p-leitende Deckschicht 12 und die Stromaufweitungsschicht 13 an. Beispielsweise besteht die reflektierende Schicht 2 aus Silber.
-
An der der reflektierenden Schicht 2 abgewandten Seite 1a der aktiven Bereiche 1 ist eine Maskenschicht 5 angeordnet. Die Maskenschicht 5 ist mit einem für die in der aktiven Schicht 11 im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung durchlässigen Material gebildet. Ferner ist die Maskenschicht 5 vorzugsweise elektrisch isolierend ausgeführt. Die Maskenschicht 5 kann dazu beispielsweise aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid bestehen. Die Maskenschicht 5 weist Öffnungen 5a auf, deren Zahl der Anzahl der aktiven Bereiche 1 weitestgehend entspricht. Durch die Öffnungen 5a ist der Kernbereich 10 eines jeden aktiven Bereichs 1 mit einer Auskopplungsschicht 3 verbunden.
-
Die Auskopplungsschicht 3 ist vorliegend mit dem gleichen Halbleitermaterial gebildet wie die Kernbereiche 10 der aktiven Bereiche 1. Die Kernbereiche 10 der aktiven Bereiche 1 sind epitaktisch auf der Maskenschicht 5 aufgewachsen. In den Öffnungen 5a sind die Kernbereiche 10 durch das epitaktische Wachstum mechanisch fest mit dem ebenfalls epitaktisch aufgewachsenen Halbleitermaterial der Auskoppelungsschicht 3 verbunden. Die Wachstumsrichtung z des epitaktischen Wachstums der Auskopplungsschicht 3 und der Kernbereiche 10 ist parallel zur Haupterstreckungsrichtung R der aktiven Bereiche 1. In der zur Haupterstreckungsrichtung R senkrechten Ebene x, y sind die aktiven Bereiche 1 zueinander beabstandet angeordnet.
-
An ihrer der Maskenschicht 5 abgewandten Seite weist die Auskopplungsschicht 3 Auskopplungsstrukturen 30 auf, die vorliegend durch eine zufällige Strukturierung des Halbleitermaterials der Auskopplungsschicht 3 gebildet sind. Beispielsweise ist diese zufällige Strukturierung durch Ätzen mittels KOH erzeugt.
-
Der Durchmesser der aktiven Bereiche 1 in der Ebene x, y beträgt vorliegend beispielsweise 150 nm. Die Länge der aktiven Bereiche 1 beträgt in der Haupterstreckungsrichtung R beispielsweise 1,5 µm. Im Betrieb des optoelektronischen Halbleiterchips wird in der aktiven Schicht 11 beispielsweise elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 440 nm erzeugt.
-
Anhand der schematischen Schnittdarstellungen der 2A bis 2M ist ein Verfahren zur Herstellung eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchips näher erläutert.
-
Die 2A zeigt schematisch ein Aufwachssubstrat 6, auf das die Auskopplungsschicht 3, die mit einem ersten Halbleitermaterial gebildet ist, epitaktisch abgeschieden wird. Auf die dem Aufwachssubstrat 6 abgewandte Oberfläche der Auskopplungsschicht 3 ist die strahlungsdurchlässige Maskenschicht 5 mit den Öffnungen 5a aufgebracht.
-
In Verbindung mit der 2B ist dargestellt, dass nachfolgend die Kernbereiche 10, die ebenfalls mit dem ersten Halbleitermaterial gebildet sind, auf die Maskenschicht 5 epitaktisch abgeschieden werden und nur im Bereich der Öffnungen 5a an das Material der Auskopplungsschicht 3 anwachsen. Es entstehen beispielsweise zylinderförmige oder prismenförmige Kernbereiche 10.
-
Auf die Außenfläche der Kernbereiche 10 wird jeweils die aktive Schicht 11 epitaktisch abgeschieden. Die aktive Schicht 11 stellt später die aktive Hülle des aktiven Bereichs 1 dar, siehe 2C.
-
Im nächsten Verfahrenschritt, 2D, wird die Deckschicht 12 auf die aktive Schicht 11 eines jeden aktiven Bereichs 1 epitaktisch abgeschieden. Die Deckschicht 12 bedeckt die aktive Schicht 11 vollständig.
-
Im nachfolgenden Verfahrenschritt, 2E, wird die Stromaufweitungsschicht 13 auf die Deckschicht 12 abgeschieden, zum Beispiel aufgesputtert oder mittels aufdampfen.
-
Im in der 2F dargestellten Verfahrenschritt werden die derart hergestellten aktiven Bereiche 1 mit dem Isolationsmaterial 4 überformt. Das Isolationsmaterial 4 füllt dabei die Zwischenräume zwischen den voneinander beabstandet aktiven Bereichen 1 aus und überdeckt die aktiven Bereiche 1 auch an ihrer dem Aufwachssubstrat 6 abgewandten Oberfläche.
-
Im nächsten Verfahrenschritt, 2G, werden die aktiven Bereiche 1 durch Abtragen des Isolationsmaterials 4 freigelegt. Dabei werden auch die aktive Schicht 11, die Deckschicht 12 und die Stromaufweitungsschicht 13 an der dem Aufwachssubstrat 6 abgewandten Seite 1a der aktiven Bereiche 1 entfernt, so dass die Kernbereiche 10 der aktiven Bereiche 1 freigelegt werden. Der Materialabtrag kann dabei beispielsweise mittels Ätzen und/oder chemisch-mechanisches Polieren erfolgen.
-
In einem ringförmigen Bereich eines jeden aktiven Bereichs erfolgt die Herstellung der elektrisch isolierenden Passivierungsschicht 14, 2H.
-
Nachfolgend, 2I, wird die reflektierende Schicht 2 auf die dem Aufwachssubstrat 6 abgewandte Seite der aktiven Bereiche 1 sowie des Isolationsmaterials 4 aufgebracht. Nachfolgend, 2J, wird ein Träger 7 auf die dem Aufwachssubstrat 6 abgewandte Seite der reflektierenden Schicht 2 aufgebracht.
-
In Verbindung mit der 2K ist dargestellt, dass das Aufwachssubstrat 6 nachfolgend entfernt wird. Für den Fall, dass das Aufwachssubstrat 6 aus Saphir besteht, kann dies mittels eines Laser lift-off Verfahrens erfolgen. Für den Fall, dass das Aufwachssubstrat 6 mit Silizium gebildet ist, kann auch ein chemisches Ätzen zur Ablösung des Aufwachsubstrats 6 erfolgen.
-
Es resultiert eine Struktur, 2L, die frei von einem Aufwachssubstrat 6 ist.
-
Abschließend, 2M, können die Auskopplungsstrukturen 30 beispielsweise mittels Ätzen erzeugt werden. Der derart hergestellte optoelektronische Halbleiterchip kann mit Anschlüssen 8 versehen werden.
-
Anhand der schematischen Schnittdarstellungen der 3A bis 3L ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchips näher erläutert.
-
Die 3A zeigt schematisch ein Aufwachssubstrat 6, auf das die Auskopplungsschicht 3, die mit einem n-dotierten ersten Halbleitermaterial gebildet ist, epitaktisch abgeschieden wird. Auf die dem Aufwachssubstrat 6 abgewandte Oberfläche der Auskopplungsschicht 3 ist die strahlungsdurchlässige Maskenschicht 5 mit den Öffnungen 5a aufgebracht.
-
In Verbindung mit der 3B ist dargestellt, dass nachfolgend die Kernbereiche 10, die ebenfalls mit dem ersten Halbleitermaterial gebildet sind, auf die Maskenschicht 5 epitaktisch abgeschieden werden und nur im Bereich der Öffnungen 5a an das Material der Auskopplungsschicht 3 anwachsen. Es entstehen beispielsweise zylinderförmige oder prismenförmige Kernbereiche 10.
-
Auf die Außenfläche der Kernbereiche 10 wird jeweils die aktive Schicht 11 epitaktisch abgeschieden. Die aktive Schicht 11 stellt später die aktive Hülle des aktiven Bereichs 1 dar, siehe 3C.
-
Im nächsten Verfahrensschritt, 3D, wird die Deckschicht 12 auf die aktive Schicht 11 eines jeden aktiven Bereichs 1 epitaktisch abgeschieden. Die Deckschicht 12 bedeckt die aktive Schicht 11 vollständig.
-
Im nachfolgenden Verfahrensschritt, 3E, wird die Stromaufweitungsschicht 13 auf die Deckschicht 12 abgeschieden, zum Beispiel aufgesputtert.
-
Im in der 3F dargestellten Verfahrensschritt werden die hergestellten aktiven Bereiche 1 mit dem Isolationsmaterial 4 überformt und/oder umformt. Das Isolationsmaterial 4 füllt dabei die Zwischenräume zwischen den voneinander beabstandet aktiven Bereichen 1 aus und überdeckt die aktiven Bereiche 1 auch an ihren dem Aufwachssubstrat 6 abgewandten Oberfläche.
-
Im nachfolgenden Verfahrenschritt, 3G, wird nun im Unterschied zum vorhergehenden Verfahren der Kernbereich 10 der aktiven Bereiche 1 nicht freigelegt, sondern das Abtragen des Isolationsmaterial 4 erfolgt soweit, bis die Stromaufweitungsschicht 13 freigelegt ist.
-
Im Verfahrenschritt der 3H wird die reflektierende Schicht 2 auf die dem Aufwachssubstrat 6 abgewandte Seite der aktiven Bereiche 1 und des Isolationsmaterial 4 aufgebracht. Die reflektierende Schicht 2 ist damit elektrisch leitend mit der Stromaufweitungsschicht 13 verbunden und schließt, anders als im Ausführungsbeispiel der 2 die p-Seite der aktiven Bereiche 1 an.
-
Nachfolgend, 3I, wird ein Träger 7 auf die dem Aufwachssubstrat 6 abgewandte Seite der reflektierenden Schicht 2 aufgebracht.
-
In Verbindung mit der 3J ist dargestellt, dass das Aufwachssubstrat 6 nachfolgend entfernt wird. Für den Fall, dass das Aufwachssubstrat 6 aus Saphir besteht, kann dies mittels eines Laser lift-off Verfahrens erfolgen. Für den Fall, dass das Aufwachssubstrat 6 mit Silizium gebildet ist, kann auch ein chemisches Ätzen zur Ablösung des Aufwachsubstrats 6 erfolgen.
-
Es resultiert eine Struktur, 3K, die frei von einem Aufwachssubstrat 6 ist.
-
Abschließend, 3L, können die Auskopplungsstrukturen 30 beispielsweise mittels Ätzen erzeugt werden. Der derart hergestellte optoelektronische Halbleiterchip kann mit Anschlüssen 8 versehen werden.
-
Alternativ zum epitaktischen Wachsen der Kernbereiche 10 durch die Öffnungen 5a der Maskenschicht 5 hindurch können die Kernbereich 10 auch durch eine Strukturierung, wie zum Beispiel ein Ätzen, einer zuvor gewachsenen, geschlossenen Schicht erzeugt werden. Die Maskierungsschicht 5 zwischen Auskopplungsschicht 3 und aktiven Bereichen 1 ist dann nicht vorhanden, kann aber durch eine nachträglich aufgebrachte Passivierungsschicht ersetzt werden. Optional erfolgt ein Ausheilen der Struktur, beispielsweise mittels nasschemischer KOH-Behandlung, zur Verbesserung der Materialqualität der so erzeugten Kerbereiche. Anschließendes, optionales, Überwachsen mit erstem Halbleitermaterial, mit aktiver Schicht 11 und Deckschicht 12 erfolgt dann wie oben beschrieben.
