WO2002089217A2

WO2002089217A2 - Halbleiterchip für die optoelektronik

Info

Publication number: WO2002089217A2
Application number: PCT/DE2002/001530
Authority: WO
Inventors: Ralph Wirth
Original assignee: Osram Opto Semiconductors Gmbh
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2002-11-07
Also published as: WO2002089217A3; DE10291889D2; US20040195641A1; DE10120703A1; US7145181B2; DE10291889B4; JP2004524710A; TW541725B

Abstract

Ein Halbleiterchip, insbesondere eine Leuchtdiode, weist ein Substrat (2) auf, auf dem eine Halbleiterschichtenfolge (3) mit einer aktiven Zone (5) aufgebracht ist. Oberhalb der Halbleiterschichtenfolge (3) befindet sich eine gestufte, fresnellinsenartig strukturierte Fensterschicht (6), die hinsichtlich der Strahlungsauskopplung die Funktion einer Halbkugellinse (7) hat. Dadurch ergibt sich ein Halbleiterchip mit besonders hohem Auskoppelwirkungsgrad.

Description

Beschreibung

Halbleiterchip für die Optoelektronik

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterchip für die Optoelektronik mit einem Substrat, auf dem eine Halbleiterschichtenfolge mit einer Photonen emittierenden, aktiven Zone und mit einer nachfolgenden Fensterschicht angeordnet ist.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterchips für die Optoelektronik, bei dem zunächst auf ein Substrat eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone und einer nachfolgenden Fensterschicht aufgebracht wird.

Aus der EP 0 551 001 AI sind ein derartiger Halbleiterchip und ein derartiges Verfahren zu seiner Herstellung bekannt. Der bekannte Halbleiterchip weist einen auf einem Substrat ausgebildeten, Licht erzeugenden Bereich auf, auf dem sich eine dicke Fensterschicht befindet. Die Dicke der Fensterschicht ist so bemessen, daß ein an der Oberseite der Fensterschicht totalreflektierter Lichtstrahl durch eine Seitenfläche der Fensterschicht gelangen bzw. austreten kann.

Ein Nachteil des bekannten Halbleiterchips ist die große Dicke der Fensterschicht, da Schichten großer Dicke epitaktisch nur schwer herzustellen sind. Außerdem weist die bekannte Fensterschicht nur dann einen hohen Auskopplungswirkungsgrad auf, wenn der kritische Winkel nicht allzu groß ist. Die Halbleiterchips für die Optoelektronik weisen jedoch typischerweise Halbleitermaterial mit einem Brechungsindex von n = 3,5 auf. Das am Halbleitermaterial anliegende Substrat weist üblicherweise einen Brechungsindex von n = 1,5 auf. In diesem Fall liegt der kritische Winkel für die Totalreflexion bei etwa 26°. Dies führt dazu, daß bei würfelförmigen Halbleiterchips typischerweise nur etwa 4% der erzeugten Photonen aus dem Halbleiterchip auskoppeln. In der DE 199 11 717 AI ist daher vorgeschlagen worden, über den Halbleiterchip hinweg verteilt eine Vielzahl von aktiven Zonen vorzusehen, über denen jeweils ein halbkugelförmiges Strahlungsauskoppelelement angeordnet ist. Dieser Halbleiterchip bietet den Vorteil, daß die Strahlungsauskoppelelemente die für die Auskopplung am besten geeignete Idealform, nämlich die einer Weierstrass ' sehen Kugel, aufweisen. Außerdem wird für die Schicht, aus der die halbkugelförmigen Strahlungsauskoppelelemente hergestellt werden, keine allzu große Dicke benötigt.

Nachteilig ist jedoch bei dem bekannten Halbleiterchip, daß die Kontaktierung der aktiven Zonen verhältnismäßig aufwendig ist, da die Kontaktierung seitlich an den halbkugelförmigen Strahlungskoppelelementen erfolgt .

Aus der US 5,087,949 A ist schließlich ein Halbleiterchip bekannt, bei dem das Substrat selbst die Funktion einer Fensterschicht hat. Das Substrat weist seitlich abgeschrägte Seitenflächen auf, so daß ein von einer aktiven Zone ausgehender Lichtstrahl möglichst unter einem Einfallswinkel auf die Seitenfläche .auftritt , der kleiner als der kritische Winkel für die Totalreflexion ist. Diese Lösung ist jedoch nicht in jedem Fall anwendbar, da häufig keine geeigneten Substrate verfügbar sind.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterchip mit einem möglichst hohen Auskopplungswirkungsgrad zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Fensterschicht in einem Bereich nach Art einer Fresnel-Linse strukturiert ist, so daß von der aktiven Zone ausgesandte Strahlung in dem Bereich auf Grenzflächen von der Fensterschicht zum umgebendes Medium trifft, die gegen die aktive Zone geneigt sind. Durch die Ausbildung der über der aktiven Zone angeordneten strukturierten Fensterschicht bzw. der fresnelartigen Linse kann die Dicke der Fensterschicht verhältnismäßig klein gehalten werden. Trotz der geringen Höhe der fresnelartigen Linse bzw. der gestuft strukturierten Fensterschicht kann diese die Funktion einer Linse mit beliebigem Querschnittsprofil, also auch einer für die Auskopplung idealen Halbkugellinse erfüllen, insbesondere hinsichtlich der Winkel, in denen die von der aktiven Zone ausgesandten Strahlen auf die Grenzfläche zwischen der Fensterschicht und dem umgebenden Medium treffen. Trotz der geringen Bauhöhe sind daher bei dem Halbleiterchip gemäß der Erfindung hohe Auskopplungswirkungsgrade zu erwarten.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung des mit einer erfindungsgemäßen Fensterschicht versehenen Halbleiterchips anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Herstellungsverfahren mit den folgenden Verfahrensschritten gelöst:

Aufbringen einer Photolackschicht auf der Fensterschicht,

Belichten der Photolackschicht mit Hilfe einer Graustufenmaske,

Entwickeln der Photolackschicht zur Ausbildung einer strukturierten Oberfläche in der Photolackschicht, und Übertragen der Oberflächenstruktur der Photolackschicht mit Hilfe eines anisotropen Ätzvorgangs auf die darunterliegende Fensterschicht.

Durch das Belichten der Photolackschicht mit einer Graustufenmaske lassen sich Photolackstrukturen mit abgeschrägten Flanken erzeugen. Mit Hilfe dieser Belichtungstechnik ist es möglich, auf einer Fensterschicht eine Photolackschicht mit der strukturierten Oberflächenach Art einer Fresnel-Linse zu erzeugen und diese auf die darunterliegende Fensterschicht mit Hilfe eines anisotropen Ätzverfahrens zu übertragen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche .

Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Querschnittsansicht durch einen Halbleiterchip für die Optoelektronik mit einer einer aktiven Zone nachgeordneten strukturierten Fensterschicht nach Art einer Fresnel-Linse;

Figur 2 eine Aufsicht auf einen Halbleiterchip mit zentraler Kontaktflache ;

Figur 3 einen Querschnitt durch den Halbleiterchip aus Figur 2;

Figur 4 eine Aufsicht auf einen Halbleiterchip mit seitlich angeordneter Kontaktfläche; und

Figur 5 einen Querschnitt durch den Halbleiterchip aus Figur 4.

Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Halbleiterchip 1, der ein Substrat 2 aufweist, auf dem eine Halbleiterschichtenfolge 3 mit einer aktiven Schicht 4 aufgebracht ist. Bei dem in Figur 1 dargestellten Halbleiterchip handelt es sich um einen Halbleiterchip für eine Leuchtdiode. Durch in Figur 1 nicht dargestellte geeignete Blenden oder durch die Abmessung der in Figur 1 ebenfalls nicht dargestellten Kontaktstellen ist der Photonen emittierende Bereich der aktiven Schicht 4 auf eine aktive Zone 5 mit einem Durchmesser d_A beschränkt . Oberhalb der aktiven Zone 5 befindet sich eine Fensterschicht 6. Die Fensterschicht 6 weist die Gestalt einer gestuften, fresnellinsenartig strukturierten Fensterschicht auf. Im Idealfall hat die strukturierte Fensterschicht nach Art einer Fresnel-Linse hinsichtlich der Strahlungsauskopplung die Funktion einer halbkugelförmigen, auf die aktive Zone 5 zentrierten Linse 7. Unter dem Begriff der zentrierten Linse soll in diesem Zusammenhang verstanden werden, daß die optische Hauptachse der Linse durch den Mittelpunkt der aktiven Zone 5 verläuft. Das Querschnittsprofil dieser gedachten bzw. imaginären Linse ist in Figur 1 durch eine gestrichelte Linie angedeutet .

Nach Weierstrass können sämtliche Photonen, die in der aktiven Zone 5 erzeugt werden, die imaginäre Linse 7 und damit im Idealfall die Fensterschicht 6 verlassen, wenn gilt:

d_A<d_H x n_M/n_H

wobei d_jj und n^ jeweils der Durchmesser und der Brechungsindex der imaginären Linse 7 bzw. der Fensterschicht 6 und n^ der Brechungsindex des an der Linse 7 bzw. der Fensterschicht 6 anliegenden Mediums sind. Der Durchmesser d_A der aktiven Zone 5 muß also kleiner dem im Verhältnis des Brechungsindex n_jv_j des umgebenden Materials zum Brechungsindex n^ des Materials der Linse 7 verringerten Durchmesser djj der Linse 7 sein. Um von der imaginären Linse 7 zur strukturierten Fensterschicht 6 zu gelangen, kann das Qurschnittsprofil der imaginären Linse 7 mit Hilfe einer auf den Mittelpunkt der aktiven Zone 5 zentrierten Zentralprojektion in den Bereich der Fensterschicht proj iziert werden. Die Projektionen der Stufen der Fensterschicht auf die aktive Schicht 4 können dabei im Querschnitt im wesentlichen äquidistant sein. Es können auch zur geometrischen Konstruktion der einer gegenüber der imaginären Linse 7 dünnen Fensterschicht 6 ausgefüllte Zwischenräume zwischen jeweils zwei Kegelmänteln, deren Scheitel auf derselben Stelle innerhalb der aktiven Zone liegen und die einer Halbkugel des Durchmessers d^ einbeschrieben sind, abschnittsweise in Richtung des Halbkugelmittelpunkts projiziert werden. Zweckmäßigerweise werden dabei die Kreissegmente des Querschnittsprofils der Linse 7 durch Dreiecke angenähert, deren Länge mit wachsender Steigung gegenüber der aktiven Schicht abnimmt, so daß im wesentlichen eine Fensterschicht 6 entsteht, die abgesehen von der (mikroskopischen) Oberflächenstruktur makroskopisch eine ebene Oberfläche besitzt. Die sich ergebende Fensterschicht 6 mit dem Querschnitt eines Polygons hat dann weitgehend hinsichtlich der Strahlungsauskopplung der in der aktiven Schicht 5 erzeugten Strahlung die Funktion einer Halbkugel 7.

In Figur 2 und 3 sind eine Aufsicht und ein Querschnitt durch einen gemäß Figur 1 gestalteten Halbleiterchip dargestellt. Bei dem in den Figuren 2 und 3 dargestellten Ausführungsbei- spiel handelt es sich um eine Leuchtdiode 8, auf deren Fensterschicht 6 eine zentrale Kontaktstelle 9 ausgebildet ist.

Um die Effizienz der Leuchtdiode 8 zu schätzen, wurden strahlenoptische Berechnungen (Raytracing) durchgeführt. Dabei ergaben sich für den Auskopplungswirkungsgrad Werte zwischen 20 und 40%, wenn dem Substrat 2 eine nicht vernachlässigbare Absorption zugewiesen wurde. Unter Auskoppelwirkungsgrad wird dabei das Verhältnis von der Anzahl der in der aktiven Zone 5 erzeugten Photonen zu der Anzahl der die Leuchtdiode 8 verlassenden Photonen verstanden. Falls sämtliche erzeugten Photonen die Leuchtdiode 8 verlassen können, hätte dies einen Auskoppelwirkungsgrad von 100% zur Folge. Die Gründe für den reduzierten Auskoppelwirkungsgrad sind zum einen, daß die in die untere Halbkugel emittierten Photonen im Substrat 2 absorbiert werden. Der maximal erreichbare Auskopplungswirkungsgrad beträgt daher 50%. Außerdem werden die unmittelbar nach oben emittierten Photonen von der Kontaktstelle 9 abgeschattet. Ferner macht sich bemerkbar, daß die Kreissegmente, die im Idealfall die Fensterschicht 6 bilden, Dreiecken DJ « ΓT CQ CQ P- S X CQ X & d 3 α < X rr c C ö SD CD fO P. Φ SD rr CD SD rr 0 SD Φ Φ 3 Φ 0= Ω 0 P- 3 SD d Φ O Φ •O P- P- P- Φ fr 0 P- φ SD d P- rr d Φ 3

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Claims

Patentansprüche

1. Halbleiterchip für die Optoelektronik mit einem Substrat (2) , auf dem eine Halbleiterschichtfolge (3) mit einer Photonen emittierenden aktiven Zone (5) und mit einer nachfolgenden Fensterschicht (6) angeordnet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Fensterschicht (6) in einem Bereich nach Art einer Fresnel-Linse strukturiert ist, so daß von der aktiven Zone (5) ausgesandte Strahlung in dem Bereich auf Grenzflächen von der Fensterschicht (6) zum umgebenden Medium trifft, die gegen die aktive Zone (5) geneigt sind.

2. Halbleiterchip nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der strukturierte Bereich der Fensterschicht sich konstruktiv durch abschnittsweise Projektion von Oberflächenbereichen einer imaginären Linse (7) in Gestalt einer Halbkugel in Richtung auf deren auf die aktive Zone (5) zentrierten Mittelpunkt ergibt .

3. Halbleiterchip nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß für den Durchmesser d_A der aktiven Zone gilt:

d_A<d_H x n_M/n_H

wobei djj der Durchmesser der imaginären Halbkugel (7) , nj_j der Brechungsindex der Fensterschicht (6) und njj der Brechungsindex des an die Fensterschicht (6) angrenzenden Mediums sind.

4. Halbleiterchip nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der strukturierte Bereich der Fensterschicht (6) im Querschnitt an ein Polygon angenähert ist.

5. Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Halbleiterchip eine zentrale, oberhalb der aktiven Zone (5) angeordnete Kontaktstelle aufweist.

6. Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Halbleiterchip eine Kontaktstelle (9) außerhalb der Fensterschicht (6) aufweist.

7. Halbleiterchip nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß von der Kontaktstelle (9) ein Kontaktsteg (11) zu der aktiven Zone führt .

8. Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zwischen der aktiven Zone (5) und dem Substrat (2) eine reflektierende Schicht angeordnet ist.

9. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterchips für die Optoelektronik, bei dem zunächst auf ein Substrat (2) eine Halbleiterschicht (3) mit einer aktiven Zone (5) und einer nachfolgenden Fensterschicht (6) aufgebracht wird, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Verfahrensschritte zur Ausbildung einer nach Art einer Fresnel-Linse strukturierten Oberfläche der Fensterschicht (6) :

Aufbringen einer Photolackschicht auf der Fensterschicht (6) ,

Belichten der Photolackschicht mit Hilfe einer Graustufenmaske,

Entwickeln der Photolackschicht zur Ausbildung einer gestuften Oberflächenstruktur in der Photolackschicht, und Übertragen der Oberflächenstruktur der Photolackschicht mit Hilfe eines anisotropen Ätzvorgangs auf die darunter liegende Fensterschicht (6) .