-
Es wird ein optoelektronisches Halbleiterbauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements angegeben.
-
Aus dem Stand der Technik sind optoelektronische Halbleiterbauelemente bekannt, welche eine Vielzahl von stabförmigen Strahlungserzeugungselementen aufweisen, deren Durchmesser beispielsweise weniger als 10 um betragen kann. Diese Strukturen sind so klein, dass man sie mit gängigen Verfahren nicht beliebig anordnen kann. Während ihres Wachstums können sie zwar an einer gewünschten Stelle platziert werden, beispielsweise indem man durch die für ihre Erzeugung verwendete Wachstumsmaske ihre Anordnung bestimmt. Dies führt jedoch zu anderen Limitationen, da zum Beispiel ein optimierter Wachstumsprozess nur für Strahlungserzeugungselemente einer bestimmten, einzelnen Farbe möglich ist. Man kann sie dagegen nicht, wie bei planaren Leuchtdioden, durch einen Pick-and-Place-Prozess hantieren. Werden derart kleine Strukturen auf einem Fremdsubstrat angeordnet, so sind sie vollkommen zufällig und ohne Vorzugsrichtung ausgerichtet, nachdem sie von ihrem Wachstumssubstrat abgelöst sind.
-
Strahlungserzeugungselemente auf Nanorodbasis weisen typischerweise einen Durchmesser von maximal 5 µm und eine Länge zwischen 1 und 100 µm auf.
-
Eine gewisse Beeinflussung der Emissionswellenlänge der Strahlungserzeugungselemente kann über eine gezielte Vorstrukturierung der Substratoberfläche, das heißt über eine geeignete Wahl des Durchmessers und des Abstands der Maskenöffnungen für das selektive Wachstum erreicht werden. Die Emissionswellenlänge wird auch insbesondere durch den Indiumgehalt in der Halbleiterschichtenfolge beeinflusst, weiterhin spielen das Verhältnis der an der Emission beteiligten Facetten sowie die Dicke der Halbleiterschichtenfolge eine Rolle. Zwar können diese Parameter in gewissen Maßen durch den Durchmesser, das Aspektverhältnis (Verhältnis von Höhe zu Durchmesser) und den Abstand der Strukturen zueinander beeinflusst werden; sie konkurrieren hierbei um das vorhandene Wachstumsmaterial und beeinflussen sich somit in der näheren Umgebung. Allerdings gilt dies nur in einem begrenzten Umfang.
-
Die Haupteinflussparameter für den Indiumgehalt sind die Temperatur und der Fluss der Precursor-Materialien. Die von den Strahlungserzeugungselementen emittierten Farben werden also durch den Wachstumsprozess der aktiven Schicht, insbesondere der Temperatur, vorbestimmt. Je niedriger die Temperatur hierbei ist, desto rotverschobener ist die von ihnen emittierte elektromagnetische Strahlung. Dies hat zur Folge, dass es nur begrenzt möglich ist, Nanorods verschiedener Farben auf einem einzigen Wafer herzustellen, da dieser hierzu verschiedenen Temperaturen ausgesetzt werden muss. Insgesamt ist es somit schwierig, weiße Leuchtdioden, welche blaues Licht, grünes Licht und rotes Licht emittierende Nanorods umfassen, epitaktisch so herzustellen, dass sie insgesamt Strahlung mit einem gewünschten Weißpunkt emittieren. Für das genaue Einstellen des Weißpunktes wäre es vorteilhaft, das epitaktische Wachstum und die Anordnung der Nanorods zeitlich zu trennen. Man könnte dann die Grundfarben in einem jeweils für eine Farbe optimierten Epitaxieprozess einzeln herstellen.
-
In den Dokumenten
US 2014 / 0 124 802 A1 ,
US 7 321 159 B2 ,
WO 2014 / 050 876 A1 ,
US 2005 / 0 212 007 A1 und
US 2014 / 0 261 613 A1 sind verschiedene, teilweise selbstorganisierte Verfahren zur Herstellung von optoelektronischen Halbleiterbauelementen beschrieben, wobei LED-Strukturen oder elektronische Bauteile, bei welchen es sich um Nano- oder Mikrostrukturen handeln kann, auf einem Träger angeordnet werden. Darüber hinaus beschreibt das Dokument
WIRTH, Ralph, et al. Recent progress of AlGaInP thin-film light-emitting diodes. Light-Emitting Diodes: Research, Manufacturing, and Applications VII, 2003, 4996. Jg., S.1-9. die Herstellung von Dünnfilm-LEDs.
-
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein optoelektronisches Halbleiterbauelement anzugeben, das besonders effizient betrieben werden kann. Insbesondere besteht eine zu lösende Aufgabe darin, ein weißes Licht emittierendes optoelektronisches Bauelement anzugeben, welches besonders kleine strahlungsemittierende Elemente umfasst und dessen Weißpunkt gewünscht eingestellt werden kann.
-
Die Aufgaben werden gelöst durch ein optoelektronisches Halbleiterbauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß den unabhängigen Patentansprüchen.
-
Ein optoelektronisches Halbleiterbauelement umfasst eine Vielzahl von Strahlungserzeugungselementen, die beabstandet voneinander auf einer Oberfläche eines Trägerelements angeordnet sind, wobei jedes der Strahlungserzeugungselemente in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Trägerelements einen Durchmesser von weniger als 10 µm, bevorzugt von weniger als 5 um, insbesondere von weniger als 2 µm, aufweist und im Bereich jeweils einer Verbindungsstelle an der Oberfläche des Trägerelements haftet und wobei das optoelektronische Halbleiterbauelement frei von einem Aufwachssubstrat ist.
-
Unter einem Aufwachssubstrat wird hierbei ein Substrat verstanden, auf welchem die Strahlungserzeugungselemente epitaktisch aufgewachsen werden, insbesondere unmittelbar und ohne Verwendung einer zusätzlichen zwischen dem Aufwachssubstrat und den Strahlungserzeugungselementen angeordneten Schicht.
-
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das optoelektronische Halbleiterbauelement frei von einer (insbesondere für das Wachstum der Strahlungserzeugungselemente verwendeten) Maskenschicht ist. Unter einer Massenschicht wird hierbei eine Schicht mit einer Vielzahl von Aussparungen verstanden, welche auf einem Aufwachssubstrat angeordnet ist. Durch die Aussparungen hindurch werden die Strahlungserzeugungselemente durch epitaktisches Wachstum auf dem Aufwachssubstrat ausgebildet.
-
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Vielzahl von Strahlungserzeugungselementen nicht-epitaktisch mit dem Trägerelement verbunden sind, d.h. die Strahlungserzeugungselementen sind nicht epitaktisch auf dem Trägerelement aufgewachsen.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass jedes der Strahlungserzeugungselemente durch Zusammenwirken eines auf einer Fußfläche des Strahlungserzeugungselements angeordneten Schlüsselelements und eines im Bereich der Verbindungsstelle angeordneten Schlosselements auf der Oberfläche des Trägerelements befestigt ist.
-
Hierdurch können sich die Strahlungserzeugungselemente selbstorganisiert und selbstjustierend an den jeweils passenden Verbindungsstellen des Trägerelements anordnen, wodurch eine kostengünstige und exakte Prozessierung ermöglicht wird. Insbesondere ersetzt ein solches Vorgehen eine konventionelle Pick-and-Place-Technik, welche im Falle von Nano- und Mikrostrukturen wirtschaftlich nicht umsetzbar ist.
-
Das Schlüsselelement kann im einfachsten Fall als ein geladenes Molekül oder Atom ausgeführt sein. Dies ermöglicht auch eine Auftrennung der Strahlungserzeugungselemente nach Größe und damit nach Wellenlänge zum Beispiel durch Elektrophorese.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass jedes der Strahlungserzeugungselemente unter Wirkung eines Schlüssel-Schloss-Prinzips auf der Oberfläche des Trägerelements haftet.
-
Unter einem Schlüssel-Schloss-Prinzip wird hierbei das Zusammenwirken von zwei komplementären Strukturen verstanden, die räumlich zueinander passen und bevorzugt einen Stoffschluss eingehen. Hier kann es sich beispielsweise um biochemische Strukturen, wie zwei zueinander komplementäre DNA-Stränge oder zueinander komplementäre Antigen-Antikörper-Strukturen handeln, die sich miteinander unter Wirkung des Schlüssel-Schloss-Prinzips stoffschlüssig verbinden.
-
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass jedes der Strahlungserzeugungselemente im Bereich der Verbindungsstelle durch Stoffschluss mit der Oberfläche des Trägerelements verbunden ist.
-
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass jedes der Strahlungserzeugungselemente eine Haupterstreckungsrichtung aufweist, einen Kernbereich aufweist, der mit einem ersten Halbleitermaterial gebildet ist, eine aktive Schicht aufweist, die den Kernbereich zumindest in Richtungen quer zur Haupterstreckungsrichtung bedeckt, und eine Deckschicht aufweist, die mit einem zweiten Halbleitermaterial gebildet ist und die aktive Schicht zumindest in Richtungen quer zur Haupterstreckungsrichtung bedeckt.
-
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Strahlungserzeugungselemente auf einem Nitridverbindungshalbleitermaterial basieren, das erste Halbleitermaterial epitaktisch auf das Aufwachssubstrat abgeschieden ist, eine Wachstumsrichtung des ersten Halbleitermaterials im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsrichtung ist, und jedes der Strahlungserzeugungselemente eine Länge in Haupterstreckungsrichtung und einen Durchmesser in einer Ebene senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung aufweist, wobei das Verhältnis von Länge zu Durchmesser wenigstens drei, bevorzugt wenigstens fünf ist. Die Strahlungserzeugungselemente sind bevorzugt stabförmig ausgebildet, sie können jedoch auch andere Formen, wie beispielsweise Pyramiden, aufweisen.
-
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass jedes der Strahlungserzeugungselemente eine Elektrodenschicht aufweist, die die Deckschicht zumindest in Richtungen quer zur Haupterstreckungsrichtung bedeckt, wobei die Elektrodenschicht für im Betrieb in der aktiven Schicht erzeugte elektromagnetische Strahlung durchlässig ist, die Elektrodenschicht mit einem transparenten leitfähigen Oxid gebildet ist und sich die Elektrodenschicht über zumindest einen Großteil der Länge des Strahlungserzeugungselements erstreckt.
-
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass jedes der Strahlungserzeugungselemente eine Passivierungsschicht aufweist, die direkt an die Oberfläche des Trägerelements und den Kernbereich grenzt.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das optoelektronische Halbleiterbauelement eine erste Vielzahl von Strahlungserzeugungselementen eines ersten Typs und eine zweite Vielzahl von Strahlungserzeugungselementen eines zweiten Typs umfasst, wobei die Strahlungserzeugungselemente des ersten Typs dazu ausgebildet sind, elektromagnetische Strahlung aus einem ersten Wellenlängenbereich zu erzeugen, und wobei die Strahlungserzeugungselemente des zweiten Typs dazu ausgebildet sind, elektromagnetische Strahlung aus einem zweiten, vom ersten Wellenlängenbereich verschiedenen Wellenlängenbereich zu erzeugen.
-
Bevorzugt umfasst das optoelektronische Halbleiterbauelement außerdem eine dritte Vielzahl von Strahlungserzeugungselementen eines dritten Typs, wobei die Strahlungserzeugungselemente des dritten Typs dazu ausgebildet sind, elektromagnetische Strahlung aus einem dritten, vom ersten und zweiten Wellenlängenbereich verschiedenen Wellenlängenbereich zu erzeugen.
-
Bevorzugt sind die Strahlungserzeugungselemente des ersten Typs dazu ausgebildet, rotes Licht zu erzeugen, die Strahlungserzeugungselemente des zweiten Typs dazu ausgebildet, grünes Licht zu erzeugen, und die Strahlungserzeugungselemente des dritten Typs dazu ausgebildet, blaues Licht zu erzeugen. Durch die oben beschriebenen Lösungen, insbesondere die Verwendung des Schlüssel-Schloss-Prinzips, muss man hierbei nicht Wachstumsbedingungen wählen, die für alle drei Farben gleichzeitig optimal sind, sodass eine höhere Ausbeute und bessere elektrische und optische Kenndaten erreicht werden können. Da auch eine gewisse Größen- und somit Wellenlängenverteilung der Strahlungserzeugungselemente auftritt, ist es vorteilhaft, diese nach Größe und somit nach Wellenlänge zu sortieren. Auf diese Weise kann später entweder eine schmale Wellenlängenverteilung für Projektions- und Displayanwendungen oder eine gezielte Mischung von Größen für eine weiße Leuchtdiode mit möglichst breitem Spektrum für einen hohen Farbwiedergabeindex erzielt werden. Durch die individuelle Bestromung von Strahlungserzeugungselementen verschiedener Typen ist auch die Herstellung eines aktiven mikrodimensionalen Displays möglich. Hierbei kann das Trägerelement aus einer weitestgehend planaren Struktur bestehen, da eine Oberflächenvergrößerung nicht erforderlich ist.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Trägerelement separat ansteuerbare Leiterbahnen aufweist, die jeweils einem Typ der Strahlungserzeugungselemente zugeordnet sind. Die Leiterbahnen sind den jeweiligen Strahlungserzeugungselementen insbesondere eindeutig, beispielsweise eineindeutig zugeordnet.
-
Bei den Leiterbahnen kann es sich beispielsweise um Kupferleiterbahnen auf einer Mehrschichtplatine handeln. Die Leiterbahnen dienen im strahlungserzeugenden Betrieb der Strahlungserzeugungselemente deren elektrischer Kontaktierung. Insbesondere sind die Leiterbahnen zu der individuellen Bestromung der Strahlungserzeugungselemente verschiedener Typen ausgebildet. In anderen Worten können die Leiterbahnen einer einzelnen Ansteuerung von Ensembles der verschiedenen Strahlungserzeugungselemente dienen.
-
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Oberfläche des Trägerelements zur Vergrößerung der Fläche non-planar ausgebildet ist und aus der Haupterstreckungsebene des Trägerelements hervorstehende Elemente umfasst, beispielsweise in Form von Pyramiden oder Halbkugeln.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines optoelektronischen Halbleiterbauelements umfasst dieses eine Vielzahl von Strahlungserzeugungselementen, die beabstandet voneinander auf einer Oberfläche eines Trägerelements angeordnet sind, wobei jedes der Strahlungserzeugungselemente in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Trägerelements einen Durchmesser von weniger als 10 µm aufweist und im Bereich jeweils einer Verbindungsstelle an der Oberfläche des Trägerelements haftet, wobei das optoelektronische Halbleiterbauelement frei von einem Aufwachssubstrat ist, und wobei:
- - die Vielzahl von Strahlungserzeugungselementen eine erste Vielzahl von Strahlungserzeugungselementen eines ersten Typs und eine zweite Vielzahl von Strahlungserzeugungselementen eines zweiten Typs umfasst, wobei die Strahlungserzeugungselemente des ersten Typs dazu ausgebildet sind, elektromagnetische Strahlung aus einem ersten Wellenlängenbereich zu erzeugen, und wobei die Strahlungserzeugungselemente des zweiten Typs dazu ausgebildet sind, elektromagnetische Strahlung aus einem zweiten, vom ersten Wellenlängenbereich verschiedenen Wellenlängenbereich zu erzeugen,
- - das Trägerelement separat ansteuerbare Leiterbahnen aufweist, die jeweils einem Typ der Strahlungserzeugungselemente zugeordnet sind, und
- - jedes der Strahlungserzeugungselemente durch Zusammenwirken eines auf einer Fußfläche des Strahlungserzeugungselements angeordneten Schlüsselelements und eines im Bereich der Verbindungsstelle angeordneten Schlosselements auf der Oberfläche des Trägerelements befestigt ist, wobei jedes der Strahlungserzeugungselemente des ersten Typs ein Schlüsselelement eines ersten Typs und jedes der Strahlungserzeugungselemente des zweiten Typs ein Schlüsselelement eines zweiten Typs aufweist, wobei die Schlüsselelemente des ersten Typs zu den Schlüsselelementen des zweiten Typs verschieden ausgebildet sind und Schlosselemente ersten Typs und zweiten Typs jeweils komplementär zu den Schlüsselelementen ausgebildet sind.
-
Ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements umfasst folgende Verfahrensschritte:
- - Ausbilden einer Vielzahl von Strahlungserzeugungselementen durch epitaktisches Wachstum auf einem Aufwachssubstrat, wobei die Strahlungserzeugungselemente in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Aufwachssubstrats einen Durchmesser von weniger als 10 µm, bevorzugt von weniger als 5 µm, beispielsweise von weniger als 2 µm aufweisen,
- - Entfernen des Aufwachssubstrats, so dass Fußflächen der Strahlungserzeugungselemente freiliegen,
- - Anordnen der Vielzahl von Strahlungserzeugungselementen auf einer Oberfläche eines Trägerelements, so dass die Fußfläche jedes der Strahlungserzeugungselemente im Bereich jeweils einer Verbindungsstelle an der Oberfläche des Trägerelements haftet.
-
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Strahlungserzeugungselemente nach Entfernen des Aufwachssubstrats in eine Lösung gebracht werden und die Oberfläche des Trägerelements nachfolgend in die Lösung eingetaucht wird.
-
Das epitaktische Wachstum der Strahlungserzeugungselemente kann beispielsweise auf einem Aufwachssubstrat aus Silizium, welches bevorzugt vorstrukturiert ist, und auf dem beispielsweise eine Maskenschicht aus Siliziumdioxid angeordnet ist, erfolgen. Im Anschluss werden das Aufwachssubstrat und die Maskenschicht durch einen Ätzschritt entfernt und die vom Aufwachssubstrat losgelösten Strahlungserzeugungselemente in die Ätzlösung gebracht. Alternativ können die Strahlungserzeugungselemente durch mechanische Verfahren vom Aufwachssubstrat abgelöst werden. Hierbei ist eine Weiterverwendung des Aufwachssubstrats möglich.
-
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass sich die Strahlungserzeugungselemente selbstorganisiert auf der Oberfläche des Trägerelements anordnen.
-
Dies kann dadurch geschehen, dass der Lösung, in welcher die Strahlungserzeugungselemente beigebracht sind, Materialien zugegeben werden, welche an den Fußflächen der Strahlungserzeugungselemente, also an der Fläche, welche zuvor mit dem Aufwachssubstrat in Kontakt stand, Schlüsselelemente ausbilden, welche sich im Bereich der Verbindungsstelle mit einem passenden, komplementären Schlosselement auf der Oberfläche des Trägerelements verbinden. Werden Strahlungserzeugungselemente verschiedener Typen verwendet, so kann der Lösung eine Vielzahl von Materialien zugegeben werden, welche jeweils verschiedene Schlüsselelemente an den Fußflächen der verschiedenen Strahlungserzeugungselemente ausbilden.
-
Beispielsweise kann die Bindung der Schlüsselelemente sensitiv auf die Kristallpolarität der Fußfläche sein. Das Anordnen der Schlüsselelemente auf den Fußflächen der Strahlungserzeugungselemente kann durch licht- oder wärmeinduzierte Reaktionen erleichtert werden. Aufgrund von Wellenleitungseigenschaften der typischerweise stabförmig ausgebildeten Strahlungserzeugungselemente entsteht an den Fußflächen eine höhere Licht- und/oder Wärmeintensität als an den Seitenflächen, wenn diese durch eine Lichtquelle bestrahlt werden. Hierdurch kann ein Anbringen der Schlüsselelemente an den Fußflächen und/oder die nachfolgende Verbindung mit den Schlosselementen erleichtert werden. Bei einer lichtinduzierten Reaktion kann durch Nutzung von Resonanzeffekten (beispielsweise bei der Einstrahlung von Licht mit einer Energie knapp oberhalb der Bandkante der betreffenden Struktur) die Reaktion für Strahlungserzeugungselemente eines bestimmten Typs (d.h. einer bestimmten Farbe) gezielt unterstützt werden.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass jedes der Strahlungserzeugungselemente unter Wirkung eines elektrischen Feldes an jeweils einer Verbindungsstelle auf der Oberfläche des Trägerelements angeordnet wird. Hierbei kann beispielsweise eine Fußfläche jedes der Strahlungserzeugungselemente entgegengesetzt zur Verbindungsstelle an der Oberfläche des Trägerelements geladen sein. Hierdurch werden die beiden relevanten Bereiche passend gegeneinander ausgerichtet und können eine mechanische Verbindung eingehen.
-
Beispielsweise kann die Fußfläche eines Strahlungserzeugungselements eine Metallisierung aufweisen, an welcher das Strahlungserzeugungselement eine positive oder negative elektrische Ladung aufweist. Alternativ oder zusätzlich können beim Wachstum der Strahlungserzeugungselemente Ladungen durch gezielte Modifikation der Bandstruktur des Halbleitermaterials erzeugt werden. Beispielsweise können tiefe Störstellen, insbesondere durch gezielte Dotierung mit passenden Fremdatomen, vorgesehen werden, welche eine elektrische Aufladung im Bereich der Fußfläche des Strahlungserzeugungselements verursachen. Alternativ kann eine elektrische Aufladung im Bereich der Fußfläche des Strahlungserzeugungselements durch Anregung mit Licht einer geeigneten Wellenlänge erzielt werden. Durch Absorption werden hierbei Elektronen-Loch-Paare im Halbleitermaterial erzeugt, während eine Ladungstrennung durch die Diffusionsspannung des pn-Übergangs erfolgt. Bei diesem Ansatz kann auch auf die Verwendung eines Schlüssel-Schloss-Prinzips zur Aufbringung der Strahlungserzeugungselemente auf den Träger verzichtet werden.
-
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Vielzahl von Strahlungserzeugungselementen von einem Matrixmaterial umhüllt werden und dass nachfolgend das Aufwachssubstrat entfernt wird, so dass die Fußflächen der Strahlungserzeugungselemente voneinander beabstandet an einer Randfläche des Matrixmaterials angeordnet sind und von außen zur weiteren Bearbeitung zugänglich sind.
-
Bei dem Matrixmaterial kann es sich beispielsweise um ein Material handeln, welches eine passivierende Schicht bildet, welche die beispielsweise stabförmig ausgebildeten Strahlungserzeugungselemente noch auf dem Aufwachssubstrat konform kapselt und gegebenenfalls beim Aufbringen einer ausreichenden Dicke zu einer geschlossenen Schicht zusammenwächst. Alternativ kann ein Matrixmaterial verwendet werden, das die Strukturen überformt und beispielsweise durch Rotationsbeschichtung aufgebracht wird. Bei dem Matrixmaterial kann es sich zum Beispiel um einen Fotolack, ein Parylen oder einen weiteren flexiblen Werkstoff wie ein Polymer handeln. Zusammen mit dem Matrixmaterial können die Strahlungserzeugungselemente vom Aufwachssubstrat abgelöst, beispielsweise abgeschält, werden, wodurch die Fußflächen für eine weitere Bearbeitung freiliegen. Bei dieser letzten Ausführungsform kann auf eine Bearbeitung innerhalb einer Lösung verzichtet werden.
-
Bei dem Matrixmaterial kann es sich ebenfalls um ein transparentes leitfähiges Oxid handeln, welches im fertigen optoelektronischen Halbleiterbauelement eine Elektrodenschicht bildet.
-
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass auf der Oberfläche des Trägerelements im Bereich der Verbindungsstellen elektrische Kontaktstellen vorgesehen sind, welche ein elektrisch leitfähiges Kontaktmaterial aufweisen. Bevorzugt sind auf den elektrischen Kontaktstellen oder in deren Bereichen die passenden Schlosselemente angeordnet, welche sich mit den Schüsselelementen der Strahlungserzeugungselemente verbinden. Die elektrischen Kontaktstellen können durch metallische Schichten oder dreidimensionale metallische Strukturen, aber auch durch Kohlenstoffnanoröhren oder andere leitfähige Materialien ausgebildet sein.
-
Während der Ausführung des Verfahrens können die elektrischen Kontaktstellen auf vorgegebene Potentiale gelegt werden, um elektrisch geladene Fußflächen der Strahlungserzeugungselemente passend auszurichten und die Strahlungserzeugungselemente in der Lösung zu den elektrischen Kontaktstellen hin zu bewegen. Werden Strahlungserzeugungselemente verschiedener Typen verwendet, so kann durch gezielte Ansteuerung der Potentiale der elektrischen Kontaktstelle erreicht werden, dass Strahlungserzeugungselemente eines bestimmten Typs bevorzugt an den gewünschten Verbindungsstellen haften bleiben.
-
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Strahlungserzeugungselementen und dem Trägerelement durch Einwirkung einer erhöhten Temperatur erreicht wird. Beispielsweise können die ineinandergreifenden Schlüssel- und Schlosselemente durch einen Temperschritt verascht und die Strahlungserzeugungselemente in das Kontaktmetall der elektrischen Kontaktstellen eingelötet werden.
-
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung umfasst das optoelektronische Halbleiterbauelement eine Steuereinheit, welche die elektrische Versorgung der Strahlungserzeugungselemente der verschiedenen Typen ansteuert und hierdurch den Weißpunkt oder auch einen Farbpunkt, welcher nicht auf der Planckkurve liegt, einstellt. Optional kann ein Sensorelement integriert sein, welches die Farbeigenschaften des von dem optoelektronischen Halbleiterbauelement emittierten Lichts detektiert und als Eingangssignal für die Regelung des Farborts genutzt werden kann.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements umfasst dieses folgende Verfahrensschritte:
- - Ausbilden einer Vielzahl von Strahlungserzeugungselementen durch epitaktisches Wachstum auf einem Aufwachssubstrat, wobei die Strahlungserzeugungselemente in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Aufwachssubstrats einen Durchmesser von weniger als 10 µm aufweisen, wobei beim Ausbilden der Vielzahl von Strahlungserzeugungselementen eine erste Vielzahl von Strahlungserzeugungselementen eines ersten Typs und eine zweite Vielzahl von Strahlungserzeugungselementen eines zweiten Typs ausgebildet werden, wobei die Strahlungserzeugungselemente des ersten Typs dazu ausgebildet werden, elektromagnetische Strahlung aus einem ersten Wellenlängenbereich zu erzeugen, und wobei die Strahlungserzeugungselemente des zweiten Typs dazu ausgebildet werden, elektromagnetische Strahlung aus einem zweiten, vom ersten Wellenlängenbereich verschiedenen Wellenlängenbereich zu erzeugen,
- - Entfernen des Aufwachssubstrats, so dass Fußflächen der Strahlungserzeugungselemente freiliegen,
- - Anordnen der Vielzahl von Strahlungserzeugungselementen auf einer Oberfläche eines Trägerelements, so dass die Fußfläche jedes der Strahlungserzeugungselemente im Bereich jeweils einer Verbindungsstelle an der Oberfläche des Trägerelements haftet, wobei:
- - jedes der Strahlungserzeugungselemente unter Wirkung eines elektrischen Feldes an jeweils einer Verbindungsstelle auf der Oberfläche des Trägerelements angeordnet wird, und
- - jedes der Strahlungserzeugungselemente durch Zusammenwirken eines auf der Fußfläche des Strahlungserzeugungselements angeordneten Schlüsselelements und eines im Bereich der Verbindungsstelle angeordneten Schlosselements auf der Oberfläche des Trägerelements befestigt wird, wobei jedes der Strahlungserzeugungselemente des ersten Typs ein Schlüsselelement eines ersten Typs und jedes der Strahlungserzeugungselemente des zweiten Typs ein Schlüsselelement eines zweiten Typs aufweist, wobei die Schlüsselelemente des ersten Typs zu den Schlüsselelementen des zweiten Typs verschieden ausgebildet sind und Schlosselemente ersten Typs und zweiten Typs jeweils komplementär zu den Schlüsselelementen ausgebildet sind.
-
Im Folgenden werden das hier beschriebene optoelektronische Halbleiterbauelement und ein Verfahren zu seiner Herstellung in Verbindung mit Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert. Hierbei beziehen sich lediglich die 2A-2C auf ein Verfahren mit sämtlichen Merkmalen gemäß einem der unabhängigen Ansprüche.
-
In Verbindung mit den 1A bis 1I sind anhand schematischer Schnittdarstellungen Verfahrensschritte zur Herstellung eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauelements näher erläutert.
-
In Verbindung mit den 2A bis 2C sind anhand schematischer Schnittdarstellungen Verfahrensschritte zur Herstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauelements näher erläutert.
-
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
-
In Verbindung mit den 1A bis 1I sind anhand schematischer Schnittdarstellungen Verfahrensschritte zur Herstellung eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauelements näher erläutert.
-
Gemäß der 1A wird zunächst auf ein Aufwachssubstrat 2 aus Silizium eine aus Siliziumdioxid bestehende Maskenschicht 4 mit Öffnungen 6 aufgebracht.
-
Wie in 1B dargestellt, werden nachfolgend die Kernbereiche 8, die mit einem ersten Halbleitermaterial gebildet sind, auf die Maskenschicht 4 epitaktisch abgeschieden und nur im Bereich der Öffnungen 6 an das Material des Aufwachssubstrats 2 angewachsen. Es entstehen beispielsweise zylinderförmige oder prismenförmige Kernbereiche 8.
-
Auf die Außenfläche der Kernbereiche 8 wird jeweils eine aktive Schicht 10 epitaktisch abgeschieden.
-
Im nächsten, in 1D dargestellten Verfahrensschritt wird eine Deckschicht 12 auf die aktive Schicht 10 epitaktisch abgeschieden. Die Deckschicht 12 bedeckt die aktive Schicht 10 vollständig. Hierdurch wird eine Vielzahl von Strahlungserzeugungselementen 14 auf dem Aufwachssubstrat ausgebildet, wobei die Strahlungserzeugungselemente in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Aufwachssubstrats einen Durchmesser von weniger als 5 µm aufweisen.
-
Im nächsten, in 1E dargestellten Verfahrensschritt werden das Aufwachssubstrat 2 und die Maskenschicht 4 in einem Ätzschritt entfernt, wobei die nunmehr vereinzelten Strahlungserzeugungselemente 14 in die Ätzlösung eingebracht werden und sich darin frei bewegen. Die Fußflächen 16 der Strahlungserzeugungselemente 14, welche zuvor in Kontakt mit dem Aufwachssubstrat 2 standen, liegen nunmehr für eine weitere Bearbeitung frei.
-
Im nächsten, in 1F dargestellten Verfahrensschritt werden auf den Fußflächen 16 der noch in der Ätzlösung oder einer weiteren, von der Ätzlösung verschiedenen Lösung befindlichen Strahlungserzeugungselemente 14 Schlüsselelemente 18 angeordnet. Dies geschieht durch Hinzugabe geeigneter Materialien zu der Lösung. Die Fußflächen 16 werden im Bereich der Schlüsselelemente 18 positiv geladen. Beispielsweise kann jedes der Schlüsselelemente 18 für sich allein positiv geladen sein.
-
Im nächsten, in 1G dargestellten Verfahrensschritt wird ein Trägerelement 20 bereitgestellt, auf dessen Oberfläche 22 eine Vielzahl von Schlosselementen 24 angeordnet sind. Jedes Schlosselement 24 befindet sich im Bereich jeweils einer Verbindungsstelle 26. Im Bereich der Verbindungsstellen 26 sind elektrische Kontaktstellen 28 vorgesehen, welche ein elektrisch leitfähiges Kontaktmaterial aufweisen und welche auf ein vorgegebenes elektrisches Potenzial gesetzt werden können. Um die positiv geladenen Fußflächen 16 der Strahlungserzeugungselemente 14 anzuziehen, werden die Kontaktstellen 28 auf ein negatives Potenzial gesetzt. Wird die Oberfläche 22 des Trägerelements 20 in die Ätzlösung eingetaucht, so werden die Strahlungserzeugungselemente 14 in Richtung der Oberfläche 22 bewegt und unter Wirkung des elektrischen Feldes an jeweils einer Verbindungsstelle auf der Oberfläche 22 des Trägerelements 20 angeordnet, wo sie unter Wirkung eines Schlüssel-Schloss-Prinzips haften ( 1H) .
-
Im nächsten, in 1I dargestellten Verfahrensschritt werden die ineinandergreifenden Schlüssel- und Schlosselemente 18, 24 durch einen Temperschritt verascht und die Strahlungserzeugungselemente 14 in das Kontaktmetall der elektrischen Kontaktstellen 28 eingelötet.
-
Außerdem werden eine Passivierungsschicht 30 und eine Elektrodenschicht 32 ausgebildet. Die Passivierungsschicht 30 grenzt hierbei direkt an die Oberfläche 22 des Trägerelements 20 und die Kernbereiche 8 der Strahlungserzeugungselemente 14, während die Elektrodenschicht 32 auf der Passivierungsschicht 30 angeordnet ist und außerdem die Deckschicht 12 bedeckt.
-
In Verbindung mit den 2A bis 2C sind anhand schematischer Schnittdarstellungen Verfahrensschritte zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels erläutert.
-
Im Unterschied zum vorangehenden Ausführungsbeispiel sind Strahlungserzeugungselemente eines ersten, zweiten und dritten Typs vorgesehen. Die Strahlungserzeugungselemente des ersten Typs 14A sind dazu ausgebildet, rotes Licht zu erzeugen, die Strahlungserzeugungselemente des zweiten Typs 14B dazu ausgebildet, grünes Licht zu erzeugen, und die Strahlungserzeugungselemente des dritten Typs 14C dazu ausgebildet, blaues Licht zu erzeugen. Sie weisen jeweils verschieden ausgebildete Schlüsselelemente 18A, 18B und 18C auf (siehe 2A).
-
Die Oberfläche des Trägerelements 20 kann zur Vergrößerung der Fläche non-planar ausgebildet sein und aus der Haupterstreckungsebene des Trägerelements 20 hervorstehende Strukturen umfassen, die z.B. als Pyramiden 34 ausgebildet sein können, von denen in 2B lediglich eine dargestellt ist.
-
Auf der Oberfläche der Pyramide 34 sind Schlosselemente eines ersten Typs 24A, eines zweiten Typs 24B und eines dritten Typs 24C angeordnet, welche jeweils komplementär zu den Schlüsselelementen 18A, 18B und 18C ausgebildet sind.
-
Durch geeignete Ansteuerung von Leiterbahnen 36 können die Schlosselemente 24A, 24B, 24C jeweils auf ein geeignetes Potenzial gesetzt werden. In anderen Worten weist das Trägerelement 20 separat ansteuerbare Leiterbahnen 36 auf, die jeweils einem Typ 14A, 14B, 14C der Strahlungserzeugungselemente 14 zugeordnet sind. Bei den Leiterbahnen 36 kann es sich beispielsweise um Kupferleiterbahnen auf einer Mehrschichtplatine handeln. Bei der Platine handelt es sich insbesondere um eine Metallkernplatine, um eine Wärmeabfuhr der Platine gewährleisten zu können. Auch eine Ausführung als Keramik ist denkbar. Die Leiterbahnen 36 können ferner insbesondere dazu dienen, Ensembles der verschiedenen Strahlungserzeugungselemente 14A, 14B, 14C einzeln anzusteuern.
-
In dem in 2B dargestellten Verfahrensschritt werden die Schlosselemente 24A auf ein negatives Potenzial und die Schlosselemente 24B, 24C auf ein positives Potenzial gesetzt. Wird das Trägerelement 20 in eine Lösung eingetaucht, welche lediglich die Strahlungserzeugungselemente des ersten Typs 14A aufweist, so haften sie analog zu dem in Verbindung mit den 1F bis 1I beschriebenen Mechanismus an der Oberfläche der Pyramide 34 unter Wirkung des Schlüssel-Schloss-Prinzips zwischen dem Schlüsselelement 18A und dem komplementär dazu ausgebildeten Schlosselement 24A.
-
In dem in 2C dargestellten Verfahrensschritt wird der gleiche Schritt für die beiden weiteren Paare von komplementären Strukturen 18B, 24B bzw. 18C, 24C wiederholt, so dass das hierdurch entstehende optoelektronische Bauelement Strahlungserzeugungselemente 14A, 14B und 14C dreier verschiedener Farben aufweist, welche unabhängig voneinander ansteuerbar sind, wodurch weißes Licht mit einem gewünschten Farbpunkt erzeugt werden kann. Wie im vorangehenden Ausführungsbeispiel werden außerdem eine Passivierungsschicht 30 und eine Elektrodenschicht 32 ausgebildet.
