WO2006131087A1 - Dünnfilm-halbleiterkörper - Google Patents

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WO2006131087A1
WO2006131087A1 PCT/DE2006/000717 DE2006000717W WO2006131087A1 WO 2006131087 A1 WO2006131087 A1 WO 2006131087A1 DE 2006000717 W DE2006000717 W DE 2006000717W WO 2006131087 A1 WO2006131087 A1 WO 2006131087A1
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WO
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semiconductor body
layer
thin
radiation
film semiconductor
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Application number
PCT/DE2006/000717
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Inventor
Volker HÄRLE
Stefan Bader
Berthold Hahn
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/44—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the coatings, e.g. passivation layer or anti-reflective coating
    • H01L33/46—Reflective coating, e.g. dielectric Bragg reflector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2933/00—Details relating to devices covered by the group H01L33/00 but not provided for in its subgroups
    • H01L2933/0083—Periodic patterns for optical field-shaping in or on the semiconductor body or semiconductor body package, e.g. photonic bandgap structures

Definitions

  • the invention relates to a thin-film semiconductor body and a method for its production.
  • Radiation-producing semiconductor bodies are often made of semiconductor materials whose refractive index is relatively high compared to a surrounding medium, for example air. In the decoupling of the radiation generated in the semiconductor body can thus occur at an interface between the semiconductor body and the surrounding medium from a certain critical angle total reflection, resulting in a significantly lower proportion auskoppelbarer radiation.
  • German Offenlegungsschrift DE 103 40 271 A1 discloses a thin-film light-emitting diode chip with improved radiation decoupling, in which a structured layer is arranged on a radiation decoupling surface.
  • the structured layer has a grid whose lateral dimension is smaller than a wavelength of a radiation emitted from the chip.
  • US Pat. No. 5,779,924 discloses a light-emitting semiconductor component with improved radiation decoupling which has a regularly structured interface.
  • the distance between the individual elements of the structure may be in the range of a wavelength of the light generated in the component.
  • a further object of the present invention is to specify a production method for such a thin-film semiconductor body. This object is achieved by a method according to claim 23.
  • the thin-film semiconductor body comprises an active layer provided for generating radiation, a radiation output surface arranged downstream of the active layer, and a reflection layer arranged on the side of the active layer facing away from the radiation coupling surface, the thin-film semiconductor body having a photonic crystal.
  • the thin-film semiconductor body is characterized in particular by at least one of the following characteristic features:
  • the active layer is part of a radiation-generating epitaxial layer sequence
  • the reflection layer which reflects back at least part of the electromagnetic radiation generated in the epitaxial layer sequence, is applied or formed on a first main surface of the epitaxial layer sequence facing a carrier;
  • the reflection layer is formed as a Bragg mirror, it may also be part of the Epitaxie WegenUSD;
  • the epitaxial layer sequence has a thickness in the range of 20 ⁇ m or less, in particular in the range between 4 ⁇ m and 10 ⁇ m;
  • the epitaxial layer sequence comprises at least one semiconductor layer having at least one surface which has a mixing structure which, in the ideal case, leads to an approximately ergodic distribution of the light in the epitaxial layer sequence, i. it has as ergodically stochastic scattering behavior as possible.
  • the thin-film semiconductor body is understood in particular to mean a semiconductor body which has a layer structure with epitaxially grown layers, from which preferably the growth substrate has been removed after growth. At least part of the epitaxially grown layers are semiconductor layers.
  • the thin-film semiconductor body has a photonic crystal.
  • the photonic crystal can be arranged in a second semiconductor layer formed on one side of the active layer facing away from the reflection layer.
  • the second semiconductor layer may be arranged downstream of a coupling-out layer, which preferably contains a semiconductor material, in which the photonic crystal is arranged or formed.
  • a light beam emanating from the semiconductor body is then totally reflected at the interface between the optically denser semiconductor material having a refractive index nl and the surrounding optically thinner medium, for example air, having a refractive index n2 when it strikes the interface at an angle greater than or is equal to the critical angle ⁇ of the total reflection, where:
  • the photonic crystal provided for the thin-film semiconductor body may advantageously cause a portion of the radiation incident on the photonic crystal at an angle equal to or greater than the critical angle ⁇ to be deflected at an angle smaller than the critical angle ⁇ impinges on the radiation decoupling surface and thus can decouple.
  • the photonic crystal comprises a plurality of first regions having a first refractive index and a plurality of second regions having a second refractive index.
  • the areas are arranged regularly.
  • the photonic crystal may have the structure of a two-dimensional lattice. In this case, the distance between two adjacent first regions or two adjacent second regions corresponds to the lattice constant. The photonic crystal can only achieve its effect if the lattice constant is adapted, on the one hand, to a wavelength of the radiation generated by the thin-film semiconductor body, and, on the other hand, to a distance between the active layer and the photonic crystal.
  • the distance between two adjacent first regions or two adjacent second regions corresponds approximately to the wavelength of the radiation generated by the thin-film semiconductor body. Particularly preferred is the distance between 10 ⁇ 9 m and ICT 6 m.
  • the first regions may on the one hand be formed by depressions in a periodic arrangement in the second semiconductor layer or in the coupling-out layer. On the other hand, it is possible to periodically arrange the regions themselves in a lattice-like manner, wherein these are formed in the manner of islands and are separated from one another by suitable intermediate spaces, for example a coherent depression.
  • the second possibility thus represents the inversion of the first possibility, in that the regions and the depressions are interchanged.
  • the recesses or interspaces may advantageously be filled with a filling material, for example a dielectric or another semiconductor material, whose refractive index differs from the refractive index of the first region.
  • the thin-film semiconductor body has a suitable distance between the active layer and the reflection layer in addition to a photonic crystal.
  • the distance is preferably chosen such that a radiation emitted by the active layer in the direction of the radiation coupling-out surface interferes with a radiation reflected by the reflective layer.
  • Radiation characteristic with at least one preferred direction As a result, the proportion of the radiation which can be coupled out can be further increased.
  • the radiation generated by the active layer and the radiation reflected by the reflective layer can constructively interfere with certain distances between the active layer and the reflective layer. For example, occur at a perpendicular to the radiation decoupling surface incident radiation intensity maxima, when the distance between the active layer and the reflection layer (2m + l) ⁇ / 4n, where n is the refractive index of the semiconductor body and m is 0, 1, 2 ... indicates the order of decoupling.
  • n the refractive index of the semiconductor body
  • m is 0, 1, 2 ... indicates the order of decoupling.
  • In the 0th order decoupling all photons are emitted into a cone whose axis of rotational symmetry is substantially perpendicular to the radiation decoupling surface.
  • the first-order decoupling there is an additional emission lobe with a larger angle to the normal of the decoupling surface.
  • the distance between the active layer and the reflection layer which is substantially (2m + 1) ⁇ / 4, for example, radiation with a preferred direction is achieved whose emission characteristic deviates from a Lambertian radiation characteristic and the areas arranged alternately having a high and a low intensity.
  • the distance between the reflection layer and the active layer can be chosen such that the emission characteristic within the semiconductor body can also be adjusted so that the incident angle is smaller than the critical angle of total reflection at the intensity maximum associated with the intensity maxima already at the first impingement on the radiation coupling-out surface.
  • the photonic crystal While taking into account the appropriate distance without use of the photonic crystal substantially zeroth and the 1st order come to the coupling, by means of the photonic crystal advantageously additionally decoupling the 2nd order or a higher order. In this case, the photonic crystal must be matched to the 1st and 2nd order and possibly higher orders of the radiation.
  • the active layer has a plurality of partial layers, for example in the form of a single quantum well or a multiple quantum well structure.
  • the thin-film semiconductor body has at least a first semiconductor layer of a first conductivity type, which is arranged between the active layer and the reflection layer, and at least the second semiconductor layer of a second conductivity type.
  • the first semiconductor layer is preferably p-type
  • the second semiconductor layer is preferably n-type.
  • the semiconductor layers are particularly preferably transparent to the radiation generated in the active layer.
  • the thin-film semiconductor body may, for example, comprise a barrier layer which is arranged between the first semiconductor layer and the reflection layer and acts, for example, as a charge carrier diffusion barrier, which prevents or at least reduces the emergence of charge carriers from the first semiconductor layer in the direction of the reflection layer.
  • the charge carrier barrier layer is preferably at least partially semiconductive and may contain aluminum in one variant.
  • the carrier barrier layer is preferably transparent to the radiation generated in the active layer.
  • the n-type second semiconductor layer is preferably epitaxially deposited.
  • the active layer or partial layers of the active layer preferably the p-conducting first semiconductor layer and optionally a charge carrier barrier layer are epitaxially grown in succession.
  • the reflective layer is preferably applied by sputtering or vapor deposition.
  • the reflection layer is preferably a metal layer.
  • the reflective layer is preferably highly reflective, using e.g. at least 70%, preferably at least 80% of the incident radiation reflects.
  • the reflective layer contains, for example, silver, gold, platinum or aluminum and / or an alloy containing at least two of these metals.
  • the reflection layer may also be a multi-layer sequence having multiple layers of various of the aforementioned metals and alloys.
  • the reflection layer may be formed as a Bragg mirror.
  • the layer composite comprising the epitaxial layer sequence, the growth substrate and the reflection layer is preferably firmly bonded to a support by eutectic bonding, which may be optimized in terms of electrical and / or thermal properties and to the optical properties, such as its transparency, no particular Requirements are made.
  • the carrier is preferably electrically conductive or at least semiconducting. Suitable carrier materials are, for example, germanium, gallium arsenide, silicon carbide, aluminum nitride or silicon. One of the reflective layer facing surface of the carrier is preferably planar. The growth substrate is detached from the semiconductor body after the connection of the layer composite with the carrier.
  • At least one adhesion-promoting layer can be provided between the reflection layer and the carrier.
  • the preferably electrically conductive adhesion-promoting layer connects the carrier to the layer composite, the reflection layer facing the carrier.
  • the adhesion-promoting layer may be a metal layer of, for example, PdSn (solder), AuGe, AuBe, AuSi, Sn, In or PdIn.
  • the reflective layer may be protected by a diffusion barrier layer disposed between the reflective layer and the primer layer containing, for example, Ti and / or W. A diffusion barrier layer prevents penetration of material from the primer layer into the reflective layer.
  • the second semiconductor layer can be arranged downstream of a further layer which serves as Auskoppel für.
  • the photonic crystal is arranged in the coupling-out layer.
  • the wavelength of the coupled-out radiation can be in the infrared range, visible range or ultraviolet range.
  • the semiconductor body can be produced on the basis of different semiconductor material systems.
  • a semiconductor body based on ln x GayAli_ x _yAs for visible red to yellow radiation, for example, a semiconductor body based on In x GayAli_ x _yP and for short-wave visible (green to blue) or UV radiation, for example, a semiconductor body based on In x GayAli_ x _yN suitable, where 0 ⁇ _ x ⁇ 1 and 0 ⁇ y ⁇ 1.
  • the semiconductor body contains GaN or at least one GaN compound such as AlGaN, InGaN or InAlGaN.
  • the distance between the first reflective layer and the active layer corresponds to the thickness of the first semiconductor layer.
  • the distance between the first reflection layer and the active layer is less than 2 ⁇ , where ⁇ . is the wavelength of the radiation generated in the semiconductor body.
  • the anti-reflection structure is formed by regularly arranged structural elements, for example in the form of so-called moth eyes.
  • the structural elements can be arranged between two first or second regions.
  • the lateral dimension between two adjacent structural elements is smaller than the wavelength of the radiation emitted by the semiconductor body.
  • the thin-film semiconductor body may comprise an optical resonator.
  • a thin-film semiconductor body can be, for example, a thin-film MCLED (thin-film micro cavity LED).
  • a thin-film semiconductor body having an optical resonator has a second reflection layer on the second semiconductor layer.
  • the emission direction of the semiconductor body typically runs parallel to the axis of a resonator thus formed from the first and second reflection layers.
  • the first reflection layer is highly reflective, while the second reflection layer can be transmissive or semitransparent for transmission of the radiation.
  • the radiation has a main emission direction, wherein the spectral width is advantageously low.
  • Both the first and the second reflection layer may be formed as a multilayer sequence.
  • the reflection layers contain a metal or another reflection-increasing material.
  • one of the active layer downstream radiation coupling surface, with a photonic crystal and arranged on the side facing away from the radiation decoupling side of the active layer reflection layer is applied or formed on a wall facing a carrier first major side of a radiation-generating epitaxial layer sequence, a reflection layer or at least a part of the epitaxial layer sequence electromagnetic radiation generated in this reflected back and a remote from the carrier second main side, which forms the later radiation decoupling surface is provided with a photonic crystal.
  • a decoupling layer is present on the side of the semiconductor body facing away from the first reflection layer, in which recesses can be introduced in order to form a photonic crystal.
  • the depressions can be introduced into the uppermost layer of the epitaxial layer sequence lying opposite the first reflection layer, preferably into the second semiconductor layer.
  • etching processes can be used to produce the depressions.
  • an embossing process for example a nanoimprint process, is used to transfer a shape of the depressions into the layer provided for the photonic crystal.
  • the nanoimprint process is particularly suitable for micro and nano structures. Furthermore, it is suitable for low-cost mass production.
  • a stamp on a stamp surface is a negative of the desired later form of the Recesses, pressed into a arranged on the semiconductor body layer of low viscosity.
  • the layer structured in this way serves as a mask for structuring the layer provided for the photonic crystal.
  • the structuring is preferably carried out by means of etching.
  • the semiconductor body may be patterned by laser beam exposure. Subsequently, the mask can be detached.
  • the recesses formed in this way can be filled with a filling material.
  • the refractive index of the filler differs from the refractive index of the surrounding layer.
  • the manufacturing method according to the invention has the advantage that a roughening associated with a connection region is eliminated, whereby an improved processability of the connection region is achieved.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a first exemplary embodiment of a thin-film semiconductor body according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of a second exemplary embodiment of a thin-film semiconductor body according to the invention.
  • FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of a third exemplary embodiment of a thin-film semiconductor body according to the invention
  • FIG. 5 is a diagram of a simulation of a
  • FIG. 6 shows a schematic cross-sectional view of a fourth exemplary embodiment of a thin-film semiconductor body according to the invention
  • FIG. 7 shows a schematic cross-sectional view of a fifth exemplary embodiment of a thin-film semiconductor body according to the invention
  • FIG. 8 shows a schematic cross-sectional view of a radiation-emitting component with a thin-film semiconductor body according to the invention.
  • FIG. 1 schematically shows a thin-film semiconductor body 1 according to the invention.
  • This comprises by way of example four layers: a reflection layer 6, a first semiconductor layer 5, an active layer 4 and a second semiconductor layer 3.
  • a photonic crystal 7 is arranged in the second semiconductor layer 3 on the side facing away from the active layer 4 side, ie on the part of the radiation decoupling surface 21, a photonic crystal 7 is arranged.
  • the photonic crystal has regions 7a with a first refractive index and regions 7b with a second refractive index. While the regions 7b are formed of a same semiconductor material as the second semiconductor layer 3, the regions 7a are formed as recesses in the second semiconductor layer 3 and filled with a filler having a refractive index different from the semiconductor material.
  • the regions 7a are cylindrical. But any other form is conceivable.
  • the regions 7a are regularly arranged in the second semiconductor layer 3, so that a two-dimensional lattice results due to this arrangement.
  • Radiation 22, 23, which is generated in the active layer 4, can couple in directly into the second semiconductor layer 3 and reach the radiation decoupling surface 21.
  • the radiation such as the beam 29 illustrated, can reach the radiation decoupling surface 21 when it is first emitted by the active layer 4 in the direction of the reflection layer 6 and then reflected in the direction of the radiation decoupling surface 21.
  • the portion of the radiation which impinges on the radiation coupling-out surface 21 at an angle smaller than the limit angle ⁇ of the total reflection can leave the semiconductor body 1 on the first impact, as illustrated, for example, by the beam 22.
  • the proportion of the radiation which impinges at an angle greater than or equal to the critical angle of total reflection on the radiation coupling surface 21, such as the Beam 23 illustrates, would be totally reflected in a conventional semiconductor body at the first impact.
  • the photonic crystal 7 folds the beam 23 into a beam 24 by a folding process, represented by a flip-over vector 20, which then impinges on the radiation coupling-out surface 21 at an angle smaller than the angle ⁇ of the total reflection.
  • the flip-over process corresponds to statistical scattering in the photon image, whereby the wave vector of a photon can "turn around” due to the interaction with the lattice.
  • the likelihood of a flip-over depends on the photonic crystal and the energy and direction of the photon.
  • the direction of failure of the rays can collapse, which impinge on the photonic crystal 7 at an angle equal to or greater than the critical angle ⁇ , so that they impinge on the radiation coupling-out surface 21 at an angle smaller than the critical angle ⁇ and can thus decouple.
  • the beam 24 passes partially through the
  • Radiation decoupling surface 21 through what is represented by the beam 25, in part, it is reflected at the radiation decoupling surface 21, which is represented by the beam 26. It should be noted that the proportion of the reflected radiation corresponding to the beam 26 is considerably lower than the fraction reflected in a total reflection.
  • the effect of the photonic crystal 7 is comparable to an increase in the critical angle of total reflection.
  • the illustrated in Figure 2 embodiment of a thin-film semiconductor body 1 according to the invention corresponds to the embodiment shown in Figure 1 except for a further feature.
  • the further feature are structural elements 13, which are designed in the form of so-called moth eyes, which are regularly arranged in the regions 7b.
  • an anti-reflection structure formed in this way the proportion of the radiation which can be coupled out can be further increased. Because of the already mentioned almost continuous transition of the refractive index, starting from the regions 7a to the structural elements 13, a lesser proportion of the radiation upon the first impingement on the
  • Radiation decoupling surface 21 is reflected back into the semiconductor body.
  • a region 27 between two interference maxima 28 can be homogeneously illuminated.
  • FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of a thin-film semiconductor body 1 according to the invention which has a carrier 9 and a multilayer structure 16. Between the carrier 9 and the multi-layer structure 16, an adhesion-promoting layer 8 is arranged.
  • the multilayer structure 16 comprises a light-emitting active layer 4 which is arranged between a p-type first semiconductor layer 5 and an n-type second semiconductor layer 3.
  • the first semiconductor layer 5 is arranged between the active layer 4 and a metallic reflection layer 6.
  • the electrically conductive reflection layer 6 functions both as a mirror and as an electrical contact layer to the first semiconductor layer 5.
  • the reflection layer 6 is protected by a diffusion barrier layer 12 which is arranged between the reflection layer 6 and the adhesion-promoting layer 8.
  • the second semiconductor layer 3 is followed by a decoupling layer 2, which has a photonic crystal 7 with the periodically arranged regions 7a and 7b.
  • the second semiconductor layer 3, the active layer 4 and the first semiconductor layer 5 are successively epitaxially formed on a growth substrate, not shown here.
  • the reflection layer 6 is applied by sputtering or vapor deposition.
  • the multilayer structure 16 is connected by means of the adhesion-promoting layer 8 to the support 9, which consists for example of germanium or comprises a substantial part of germanium. The growth substrate is then removed.
  • the main emission direction of the radiation generated in the active layer 4 and the radiation reflected by the reflection layer 6 is indicated in FIG. 3 by the arrows 10 and 11, respectively. This is due to the interference of the Both radiation components 10 and 11 generated light passes through the radiation coupling-out surface 21 from the thin-film semiconductor body 1 out.
  • the radiation characteristic can be adjusted so that at least the 0th and 1st order meet at an angle to the radiation decoupling surface 21, which is below the angle ⁇ of the total reflection, so that the radiation can decouple. Furthermore, by means of the photonic crystal 7 by folding processes, the second-order radiation and possibly higher orders can be decoupled from the semiconductor body 1.
  • FIGS. 4a and 4b show intensity distributions of two radiation-emitting thin-film semiconductor bodies with a smooth radiation coupling surface and without a photonic crystal based on GaN, the thin-film semiconductor bodies having a different spacing d.
  • FIG. 4 a shows the intensity distribution of a thin-film semiconductor body whose distance between the active layer 4 and the reflection layer 6 is approximately 155 nm.
  • the distance is set to be resonant, and constructive interference may occur in the main emission direction.
  • an interference maximum of 0th and 1st order may occur, with the maximum of the 0th order occurring at an angle of approximately 0 °.
  • the 0 and 1st order interference maxima are not clearly distinguishable due to their width.
  • the distance of the thin-film semiconductor body whose intensity distribution is shown in FIG. 4b is set so that destructive interference occurs in the forward direction.
  • the distance between the active layer 4 and the reflection layer 6 is about 180 nm.
  • FIG. 5 shows a simulation of a coupling-out efficiency, that is to say the ratio of the proportion of the coupled-out radiation to the radiation generated, with respect to the distance d.
  • the 2nd order can be decoupled by deflecting rays that hit the photonic crystal at an angle greater than or equal to 24 ° in such a way that they can be deflected impinge on the radiation decoupling surface 21 at an angle smaller than 24 °.
  • the carrier barrier layer 15 is preferably part of the semiconductor body 1 and therefore epitaxially grown and semiconducting.
  • a Decoupling layer 2 with a photonic crystal 7 is arranged on the second semiconductor layer 3 .
  • structural elements for forming an antireflective structure may be arranged between the regions 7a in accordance with the second embodiment shown in FIG.
  • the fifth exemplary embodiment shown in FIG. 7 corresponds to a micro cavity (resonant cavity LED).
  • the fifth exemplary embodiment has a second reflection layer 14 on the second semiconductor layer 3.
  • the distance f between the first reflection layer 6 and the second reflection layer 14 is set resonantly.
  • the distance f corresponds to the wavelength of the radiation emitted by the active layer 4.
  • the interference effects already mentioned in connection with FIG. 3 apply to the interference effects occurring in the semiconductor body 1.
  • FIG. 8 shows an optical component which comprises a packaged thin-film semiconductor body 1, for example according to the embodiments presented in FIGS. 1 to 5.
  • the semiconductor body 1 is mounted on a lead frame 17 and installed in a recess of the housing 18.
  • the recess of the housing 18 preferably has a radiation-reflecting surface.
  • the semiconductor body 1 is encapsulated with a potting compound 19.

Abstract

Die Erfindung beschreibt einen Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) mit einer zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Schicht (4), einer der aktiven Schicht nachgeordneten Strahlungsauskoppelfläche (21) und einer auf der der Strahlungsauskoppelfläche (21) abgewandten Seite der aktiven Schicht (4) angeordneten Reflexionsschicht (6), wobei der Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) einen photonischen Kristall (7) aufweist. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines Dünnfilm-Halbleiterkörpers (1) angegeben, der einen photonischen Kristall (7) aufweist.

Description

Beschreibung
Dünnfilm-Halbleiterkörper
Die Erfindung betrifft einen Dünnfilm-Halbleiterkörper und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102005026895.1 und die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102005048408.5, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Strahlungserzeugende Halbleiterkörper sind oftmals aus Halbleitermaterialien gefertigt, deren Brechungsindex im Vergleich zu einem umgebenden Medium, beispielsweise Luft, relativ hoch ist. Bei der Auskopplung der im Halbleiterkörper erzeugten Strahlung kann somit an einer Grenzfläche zwischen dem Halbleiterkörper und dem umgebenden Medium ab einem bestimmten Grenzwinkel Totalreflexion auftreten, was zu einem erheblich geringeren Anteil auskoppelbarer Strahlung führt.
Zur Lösung dieses Problems sind verschiedene Ansätze bekannt. Da bei einer kubischen Geometrie des Halbleiterkörpers verstärkt Totalreflexion auftritt, können beispielsweise durch eine veränderte Geometrie Verluste aufgrund der Totalreflexion reduziert werden. Allerdings ist dadurch typischerweise eine Leuchtfläche verringert. Ferner können durch eine geeignete Abstrahlcharakteristik der im Halbleiterkörper erzeugten Strahlung die Verluste reduziert werden. Weiterhin kann durch Aufrauhung einer Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers die Strahlungsauskopplung erhöht werden. Aus der Offenlegungsschrift DE 103 40 271 Al ist ein Dünnschicht-Leuchtdiodenchip mit verbesserter Strahlungsauskopplung bekannt, bei dem auf einer Strahlungsauskoppelfläche eine strukturierte Schicht angeordnet ist. Die strukturierte Schicht weist ein Raster auf, dessen laterales Maß kleiner als eine Wellenlänge einer aus dem Chip emittierten Strahlung ist.
Ferner ist aus der Patentschrift US 5,779,924 ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement mit verbesserter Strahlungsauskopplung bekannt, das eine regelmäßig strukturierte Grenzfläche aufweist. Der Abstand zwischen den einzelnen Elementen der Struktur kann dabei im Bereich einer Wellenlänge des im Bauelement erzeugten Lichts liegen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Dünnfilm- Halbleiterkörper mit einer besonders effizienten Strahlungsauskopplung anzugeben. Diese Aufgabe wird durch einen Dünnfilm-Halbleiterkörper gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren für einen solchen Dünnfilm- Halbleiterkörper anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 23 gelöst.
Der Dünnfilm-Halbleiterkörper umfasst eine zur Erzeugung von Strahlung vorgesehene aktive Schicht, eine der aktiven Schicht nachgeordnete Strahlungsauskoppelfläche und eine auf der der Strahlungsauskoppelfläche abgewandten Seite der aktiven Schicht angeordnete Reflexionsschicht, wobei der Dünnfilm-Halbleiterkörper einen photonischen Kristall aufweist. Der Dünnfilra-Halbleiterkörper zeichnet sich insbesondere durch mindestens eines der folgenden charakteristischen Merkmale aus :
- die aktive Schicht ist Teil einer Strahlungserzeugenden Epitaxieschichtenfolge ;
- die Reflexionsschicht, die zumindest einen Teil der in der Epitaxieschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert, ist an einer zu einem Träger hingewandten ersten Hauptfläche der Epitaxieschichtenfolge aufgebracht oder ausgebildet;
- wenn die Reflexionsschicht als Bragg-Spiegel ausgebildet ist, kann sie ebenfalls Teil der Epitaxieschichtenfolge sein;
- die Epitaxieschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich von 20 μm oder weniger, insbesondere im Bereich zwischen 4 μm und 10 μm auf; und
- die Epitaxieschichtenfolge enthält mindestens eine Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichts in der Epitaxieschichtenfolge führt, d.h. sie weist ein möglichst ergodisch stochastisches Streuverhalten auf.
Das Grundprinzip eines Dünnfilm-Halbleiterkörpers ist beispielsweise in der Druckschrift I. Schnitzer et al . , Appl . Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, S. 2174 bis 2176 beschrieben. Unter dem Dünnfilra-Halbleiterkörper wird vorliegend insbesondere ein Halbleiterkörper verstanden, der einen Schichtaufbau mit epitaktisch aufgewachsenen Schichten aufweist, von dem vorzugsweise das Aufwachssubstrat nach dem Aufwachsen entfernt worden ist. Zumindest ein Teil der epitaktisch aufgewachsenen Schichten sind Halbleiterschichten.
Im Rahmen der Erfindung weist der Dünnfilm-Halbleiterkörper einen photonischen Kristall auf. Der photonische Kristall kann in einer auf einer der Reflexionsschicht abgewandten Seite der aktiven Schicht ausgebildeten zweiten Halbleiterschicht angeordnet sein. Alternativ kann der zweiten Halbleiterschicht eine Auskoppelschicht, die vorzugsweise ein Halbleitermaterial enthält, nachgeordnet sein, in der der photonische Kristall angeordnet beziehungsweise ausgebildet ist.
Das Problem der durch Totalreflexion verursachten Strahlungsverluste kann durch den photonischen Kristall vorteilhaft gelöst werden.
Ein aus dem Halbleiterkörper kommender Lichtstrahl wird dann an der Grenzfläche zwischen dem optisch dichteren Halbleitermaterial mit einem Brechungsindex nl und dem umgebenden optisch dünneren Medium, beispielsweise Luft, mit einem Brechungsindex n2 totalreflektiert, wenn er auf die Grenzfläche unter einem Winkel auftrifft, der größer als oder gleich dem Grenzwinkel θ der Totalreflexion ist, wobei gilt:
sin(θ) = n2/nl. Die Winkelangaben beziehen sich hier und im Folgenden auf die Normale der Grenzfläche im Auftreffpunkt des Lichtstrahls.
Der für den Dünnfilm-Halbleiterkörper vorgesehene photonische Kristall kann vorteilhafterweise bewirken, dass ein Teil der Strahlung, der unter einem Winkel gleich oder größer als dem Grenzwinkel θ auf den photonischen Kristall auftrifft, derart umgelenkt wird, dass er unter einem Winkel kleiner als dem Grenzwinkel θ auf die Strahlungsauskoppelfläche auftrifft und somit auskoppeln kann.
Vorzugsweise umfasst der photonische Kristall eine Mehrzahl von ersten Bereichen mit einem ersten Brechungsindex und eine Mehrzahl von zweiten Bereichen mit einem zweiten Brechungsindex. Besonders bevorzugt sind die Bereiche regelmäßig angeordnet. Insbesondere kann im Rahmen der Erfindung der photonische Kristall die Struktur eines zweidimensionalen Gitters aufweisen. Dabei entspricht der Abstand zwischen zwei benachbarten ersten Bereichen beziehungsweise zwei benachbarten zweiten Bereichen der Gitterkonstante. Der photonische Kristall kann seine Wirkung nur dann erzielen, wenn die Gitterkonstante einerseits an eine Wellenlänge der von dem Dünnfilm-Halbleiterkörper erzeugten Strahlung, andererseits an einen Abstand zwischen der aktiven Schicht und dem photonischen Kristall angepasst ist. Vorzugsweise entspricht der Abstand zwischen zwei benachbarten ersten Bereichen beziehungsweise zwei benachbarten zweiten Bereichen ungefähr der Wellenlänge der von dem Dünnfilm-Halbleiterkörper erzeugten Strahlung. Besonders bevorzugt liegt der Abstand zwischen 10~9 m und ICT6 m. Die ersten Bereiche können einerseits durch Vertiefungen in periodischer Anordnung in der zweiten Halbleiterschicht beziehungsweise in der AuskoppelSchicht gebildet sein. Andererseits ist es möglich, die Bereiche selbst gitterartig periodisch anzuordnen, wobei diese inselartig ausgebildet und durch geeignete Zwischenräume, beispielsweise eine zusammenhängende Vertiefung, voneinander getrennt sind. Die zweite Möglichkeit stellt somit die Inversion der ersten Möglichkeit dar, indem die Bereiche und die Vertiefungen gegeneinander vertauscht sind. In beiden Fällen können vorteilhafterweise die Vertiefungen beziehungsweise Zwischenräume mit einem Füllmaterial, beispielsweise einem Dielektrikum oder einem anderen Halbleitermaterial, gefüllt sein, dessen Brechungsindex sich von dem Brechungsindex des ersten Bereichs unterscheidet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Dünnfilm- Halbleiterkörper neben einem photonischen Kristall einen geeigneten Abstand zwischen der aktiven Schicht und der Reflexionsschicht auf. Der Abstand ist bevorzugt so gewählt, dass eine von der aktiven Schicht in Richtung der Strahlungsauskoppelfläche ausgesandte Strahlung mit einer von der Reflexionsschicht reflektierten Strahlung interferiert. Vorteilhafterweise resultiert daraus eine
Abstrahlcharakteristik mit mindestens einer Vorzugsrichtung. Dadurch kann der Anteil der auskoppelbaren Strahlung weiter erhöht werden.
Die durch die aktive Schicht erzeugte und die durch die Reflexionsschicht reflektierte Strahlung können bei bestimmten Abständen zwischen der aktiven Schicht und der Reflexionsschicht konstruktiv interferieren. Beispielsweise treten bei einer senkrecht auf die Strahlungsauskoppelfläche einfallenden Strahlung Intensitätsmaxima auf, wenn der Abstand zwischen der aktiven Schicht und der Reflexionsschicht (2m+l)λ/4n beträgt, wobei n der Brechungsindex des Halbleiterkörpers ist und m gleich 0, 1, 2... die Ordnung der Auskopplung angibt . Bei der Auskopplung 0. Ordnung werden sämtliche Photonen in einen Kegel, dessen Rotationssymmetrieachse im Wesentlichen senkrecht zur Strahlungsauskoppelfläche steht, abgestrahlt. Bei der Auskopplung 1. Ordnung existiert eine zusätzliche Abstrahlkeule mit einem größeren Winkel zur Normalen der Auskoppelfläche. Bei der Auskopplung m'ter Ordnung existieren m zusätzliche solche Abstrahlkeulen.
Durch eine entsprechende Einstellung des Abstands zwischen der aktiven Schicht und der Reflexionsschicht, der beispielsweise im Wesentlichen (2m + l)λ/4 beträgt, wird eine Abstrahlung mit einer Vorzugsrichtung erzielt, deren Abstrahlcharakteristik von einer Lambert ' sehen Abstrahlcharakteristik abweicht und die abwechselnd angeordnete Bereiche mit einer hohen und einer niedrigen Intensität aufweist. Der Abstand der Reflexionsschicht zur aktiven Schicht kann derart gewählt und damit auch die Abstrahlcharakteristik innerhalb des Halbleiterkörpers so eingestellt werden, dass bei einem den Intensitätsmaxima zugeordneten erhöhten Strahlungsanteil vorzugsweise schon beim ersten Auftreffen auf die Strahlungsauskoppelfläche der Einfallswinkel kleiner als der Grenzwinkel der Totalreflexion ist.
Während bei einer Berücksichtigung des geeigneten Abstands ohne eine Verwendung des photonischen Kristalls im Wesentlichen die nullte und die 1. Ordnung zur Auskopplung gelangen, kann mittels des photonischen Kristalls vorteilhafterweise zusätzlich die 2. Ordnung oder eine höhere Ordnung auskoppeln. Dabei muss der photonische Kristall auf die 1. und 2. Ordnung und gegebenenfalls höhere Ordnungen der Strahlung abgestimmt sein.
In der Regel weist die aktive Schicht mehrere Teilschichten, beispielsweise in Form einer Einfach-Quantentopf- oder einer Mehrfach-Quantentopf-Struktur auf .
Der Dünnfilm-Halbleiterkörper weist mindestens eine erste Halbleiterschicht eines ersten Leitungstyps, die zwischen der aktiven Schicht und der Reflexionsschicht angeordnet ist, und mindestens die zweite Halbleiterschicht eines zweiten Leitungstyps auf. Die erste Halbleiterschicht ist vorzugsweise p-leitend, und die zweite Halbleiterschicht ist vorzugsweise n-leitend. Die Halbleiterschichten sind besonders bevorzugt für die in der aktiven Schicht erzeugte Strahlung durchlässig.
Der Dünnfilm-Halbleiterkörper kann beispielsweise eine Barriereschicht enthalten, die zwischen der ersten Halbleiterschicht und der Reflexionsschicht angeordnet ist und zum Beispiel als Ladungsträger-Diffusionssperre wirkt, die das Heraustreten von Ladungsträgern aus der ersten Halbleiterschicht in Richtung der Reflexionsschicht verhindert oder zumindest reduziert. Die Ladungsträger- Barriereschicht ist vorzugsweise zumindest teilweise halbleitend und kann in einer Variante Aluminium enthalten. Die Ladungsträger-Barriereschicht ist vorzugsweise für die in der aktiven Schicht erzeugte Strahlung transparent.
Bei der Herstellung des Dünnfilm-Halbleiterkörpers werden mehrere Schichten des Halbleiterkörpers auf einem Aufwachssubstrat aufgewachsen, das als Wafer vorliegen kann. Zunächst wird die n-leitende zweite Halbleiterschicht vorzugsweise epitaktisch abgeschieden. Des Weiteren werden nacheinander die aktive Schicht oder Teilschichten der aktiven Schicht, die vorzugsweise p-leitende erste Halbleiterschicht und gegebenenfalls eine Ladungsträger- Barriereschicht epitaktisch aufgewachsen. Danach wird die Reflexionsschicht vorzugsweise durch Aufsputtern oder Aufdampfen aufgetragen.
Die Reflexionsschicht ist vorzugsweise eine Metallschicht. Die Reflexionsschicht ist vorzugsweise hochreflektierend, wobei sie z.B. mindestens 70 %, vorzugsweise mindestens 80 % der einfallenden Strahlung reflektiert. Die Reflexionsschicht enthält beispielsweise Silber, Gold, Platin oder Aluminium und/oder eine Legierung, die mindestens zwei dieser Metalle enthält. Die Reflexionsschicht kann auch eine Mehrschichtenfolge mit mehreren Schichten aus verschiedenen der vorgenannten Metalle und Legierungen gebildet sein. Außerdem kann die Reflexionsschicht als Bragg-Spiegel ausgebildet sein.
Der Schichtenverbund, der die Epitaxie-Schichtenfolge, das Aufwachssubstrat und die Reflexionsschicht umfasst, wird vorzugsweise durch eutektisches Bonden mit einem Träger fest verbunden, der hinsichtlich elektrischer und/oder thermischer Eigenschaften optimiert sein kann und an dessen optische Eigenschaften, etwa seine Transparenz, keine besonderen Anforderungen gestellt werden. Der Träger ist vorzugsweise elektrisch leitend oder zumindest halbleitend. Geeignet sind als Trägermaterial zum Beispiel Germanium, Galliumarsenid, Siliziumcarbid, Aluminiumnitrid oder Silizium. Eine der Reflexionsschicht zugewandte Oberfläche des Trägers ist vorzugsweise planar. Das Aufwachssubstrat wird nach dem Verbinden des Schichtenverbundes mit dem Träger vom Halbleiterkörper abgelöst.
Zwischen der Reflexionsschicht und dem Träger kann mindestens eine Haftvermittlungsschicht vorgesehen sein. Die vorzugsweise elektrisch leitende Haftvermittlungsschicht verbindet den Träger mit dem Schichtenverbund, wobei die Reflexionsschicht dem Träger zugewandt ist. Die Haftvermittlungsschicht kann insbesondere eine Metallschicht zum Beispiel aus PdSn (Lot) , AuGe, AuBe, AuSi, Sn, In oder PdIn sein. Die Reflexionsschicht kann durch eine zwischen der Reflexionsschicht und der Haftvermittlungsschicht angeordnete Diffusionssperrschicht, die zum Beispiel Ti und/oder W enthält, geschützt sein. Eine Diffusionssperrschicht verhindert das Eindringen von Material aus der Haftvermittlungsschicht in die Reflexionsschicht. Ferner kann der zweiten Halbleiterschicht eine weitere Schicht nachgeordnet sein, die als AuskoppelSchicht dient. Vorzugsweise ist in der Auskoppelschicht der photonische Kristall angeordnet.
Alle hier genannten Schichten des Dünnfilm-Halbleiterkörpers, insbesondere die aktive Schicht und die Halbleiterschichten des Halbleiterkörpers, können jeweils aus mehreren Teilschichten bestehen.
Die Wellenlänge der ausgekoppelten Strahlung kann im Infrarotbereich, sichtbaren Bereich oder Ultraviolettbereich liegen. Der Halbleiterkörper kann je nach Wellenlänge auf der Basis von verschiedenen Halbleitermaterialsystemen hergestellt werden. Für eine langwellige Strahlung ist zum Beispiel ein Halbleiterkörper auf Basis von lnxGayAli_x_yAs, für sichtbare rote bis gelbe Strahlung zum Beispiel ein Halbleiterkörper auf Basis von InxGayAli_x_yP und für kurzwellige sichtbare (grün bis blau) oder UV-Strahlung zum Beispiel ein Halbleiterkörper auf Basis von InxGayAli_x_yN geeignet, wobei gilt 0 <_ x < 1 und 0 < y < 1.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Halbleiterkörper GaN oder mindestens eine GaN-Verbindung wie beispielsweise AlGaN, InGaN oder InAlGaN.
Vorzugsweise entspricht der Abstand zwischen der ersten Reflexionsschicht und der aktiven Schicht der Dicke der ersten Halbleiterschicht. Besonders bevorzugt ist der Abstand zwischen der ersten Reflexionsschicht und der aktiven Schicht kleiner als 2λ, wobei λ. die Wellenlänge der im Halbleiterkörper erzeugten Strahlung ist.
Bei der Auskopplung der Strahlung aus dem Halbleiterkörper können Fresnel-Verluste auftreten. Diese können durch eine Entspiegelungsstruktur, die an die Strahlungsauskoppelfläche grenzt, reduziert werden. Vorzugsweise ist die Entspiegelungsstruktur durch regelmäßig angeordnete Strukturelemente, zum Beispiel in Form sogenannter Mottenaugen, gebildet. Die Strukturelemente können zwischen zwei ersten oder zweiten Bereichen angeordnet sein. Besonders bevorzugt ist die laterale Abmessung zwischen zwei benachbarten Strukturelementen kleiner als die Wellenlänge der vom Halbleiterkörper emittierten Strahlung.
Durch die Ausbildung der Strukturelemente kann eine sprunghafte Änderung des Brechungsindexes an einer Grenze zwischen dem ersten und zweiten Bereich verhindert werden. Vielmehr ist durch die Strukturelemente ein nahezu kontinuierlicher Übergangmöglich, so dass Lichtwellen praktisch nicht reflektiert werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der Dünnfilm- Halbleiterkörper einen optischen Resonator aufweisen. Ein solcher Dünnfilm-Halbleiterkörper kann beispielsweise eine Dünnfilm-MCLED (Dünnfilm Micro Cavity LED) sein.
Ein Dünnfilm-Halbleiterkörper mit einem optischen Resonator weist auf der zweiten Halbleiterschicht eine zweite Reflexionsschicht auf. Die Emissionsrichtung des Halbleiterkörpers verläuft typischerweise parallel zur Achse eines so aus der ersten und zweiten Reflexionsschicht gebildeten Resonators. Vorzugsweise ist die erste Reflexionsschicht hochreflektierend, während die zweite Reflexionsschicht für eine Transmission der Strahlung durchlässig beziehungsweise halbdurchlässig sein kann.
Insbesondere zwei Vorteile sind in Bezug auf diesen Dünnfilm- Halbleiterkörper zu nennen. Zum einen kann ein im Vergleich zum nicht-resonanten Halbleiterkörper größerer Anteil der Strahlung ausgekoppelt werden. Zum anderen weist die Strahlung eine Hauptabstrahlrichtung auf, wobei die spektrale Breite vorteilhaft gering ist.
Sowohl die erste als auch die zweite Reflexionsschicht können als Mehrschichtenfolge ausgebildet sein. Besonders bevorzugt enthalten die Reflexionsschichten ein Metall oder ein anderes reflexionssteigerndes Material.
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Dünnfilm- Halbleiterkörpers mit einer zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Schicht, einer der aktiven Schicht nachgeordneten Strahlungsauskoppelfläche, mit einem photonischen Kristall und einer auf der der Strahlungsauskoppelfläche abgewandten Seite der aktiven Schicht angeordneten Reflexionsschicht wird an einer zu einem Träger hingewandten ersten Hauptseite einer Strahlungserzeugenden Epitaxie-Schichtenfolge eine Reflexionsschicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Epitaxie-Schichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert und eine von dem Träger abgewandte zweite Hauptseite, die die spätere Strahlungsauskoppelfläche bildet, wird mit einem photonischen Kristall versehen.
Bei einer bevorzugten Ausführung ist auf der der ersten Reflexionsschicht abgewandten Seite des Halbleiterkörpers eine Auskoppelschicht vorhanden, in die zur Ausbildung eines photonischen Kristalls Vertiefungen eingebracht werden können. Alternativ können die Vertiefungen in die der ersten Reflexionsschicht gegenüber liegende oberste Schicht der Epitaxie-Schichtenfolge, vorzugsweise in die zweite Halbleiterschicht, eingebracht werden.
Zur Erzeugung der Vertiefungen können herkömmliche Ätzverfahren eingesetzt werden. Vorzugsweise wird zur Übertragung einer Form der Vertiefungen in die für den photonischen Kristall vorgesehene Schicht ein Prägeverfahren, beispielsweise ein Nanoimprint-Verfahren, angewandt. Das Nanoimprint-Verfahren ist besonders für Mikro- und NanoStrukturen geeignet. Ferner eignet es sich für eine kostengünstige Serienproduktion.
Bei dem Nanoimprint-Verfahren wird ein Stempel, der auf einer Stempelfläche ein Negativ der gewünschten späteren Form der Vertiefungen aufweist, in eine auf dem Halbleiterkörper angeordnete Schicht geringer Viskosität gedrückt. Die so strukturierte Schicht dient nach einer Härtung, beispielsweise durch UV-Licht, als Maske für eine Strukturierung der für den photonischen Kristall vorgesehenen Schicht. Die Strukturierung wird vorzugsweise mittels Ätzen durchgeführt. Alternativ kann der Halbleiterkörper durch Laserstrahleinwirkung strukturiert werden. Anschließend kann die Maske abgelöst werden. Weiterhin können die so gebildeten Vertiefungen mit einem Füllmaterial gefüllt werden. Vorzugsweise unterscheidet sich der Brechungsindex des Füllmaterials vom Brechungsindex der umgebenden Schicht.
Im Vergleich zur Herstellung eines herkömmlichen Dünnfilm- Halbleiterkörpers, bei dem die Strahlungsauskopplung durch eine Aufrauhung der Strahlungsauskoppelfläche erhöht wird, weist das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren den Vorteil auf, dass eine damit einhergehende Aufrauhung eines Anschlussbereichs entfällt, wodurch eine verbesserte Prozessierbarkeit des Anschlussbereichs erreicht wird.
Weitere Merkmale, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend in Verbindung mit den Figuren 1 bis 8 erläuterten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dünnfilm- Halbleiterkörpers , Figur 2 eine schematische Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgeraäßen Dünnfilm- Halbleiterkörpers .
Figur 3 eine schematische Querschnittsansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dünnfilm- Halbleiterkörpers ,
Figur 4a und b ein Schaubild einer normierten Intensitätsverteilung eines Dünnfilm-Halbleiterkörpers ohne photonischen Kristall,
Figur 5 ein Schaubild einer Simulation eines
Auskoppelwirkungsgrades eines Dünnfilm-Halbleiterkörpers ohne photonischen Kristall,
Figur 6 eine schematische Querschnittsansicht eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dünnfilm- Halbleiterkörpers ,
Figur 7 eine schematische Querschnittsansicht eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dünnfilm- Halbleiterkörpers ,
Figur 8 eine schematische Querschnittsansicht eines Strahlungsemittierenden Bauelements mit einem erfindungsgemäßen Dünnfilm-Halbleiterkörper .
Figur 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Dünnfilm- Halbleiterkörper 1. Dieser umfasst beispielhaft vier Schichten: Eine Reflexionsschicht 6, eine erste Halbleiterschicht 5, eine aktive Schicht 4 und eine zweite Halbleiterschicht 3. In der zweiten Halbleiterschicht 3 ist auf der von der aktiven Schicht 4 abgewandten Seite, also seitens der Strahlungsauskoppelfläche 21, ein photonischer Kristall 7 angeordnet. Der photonische Kristall weist Bereiche 7a mit einem ersten Brechungsindex und Bereiche 7b mit einem zweiten Brechungsindex auf. Während die Bereiche 7b aus einem gleichen Halbleitermaterial wie die zweite Halbleiterschicht 3 gebildet sind, sind die Bereiche 7a als Vertiefungen in die zweite Halbleiterschicht 3 eingebracht und mit einem Füllmaterial gefüllt, das einen von dem Halbleitermaterial verschiedenen Brechungsindex aufweist.
Vorzugsweise sind die Bereiche 7a zylinderförmig ausgebildet. Aber auch jede andere Form ist denkbar. Die Bereiche 7a sind in der zweiten Halbleiterschicht 3 regelmäßig angeordnet, sodass sich aufgrund dieser Anordnung ein zweidimensionales Gitter ergibt.
Strahlung 22, 23, die in der aktiven Schicht 4 erzeugt wird, kann auf direktem Wege in die zweite Halbleiterschicht 3 einkoppeln und zu der Strahlungsauskoppelfläche 21 gelangen. Auf indirektem Wege kann die Strahlung, wie beispielsweise der Strahl 29 veranschaulicht, zur Strahlungsauskoppelfläche 21 gelangen, wenn sie zuerst von der aktiven Schicht 4 in Richtung der Reflexionsschicht 6 emittiert und dann in Richtung der Strahlungsauskoppelfläche 21 reflektiert wird. Der Anteil der Strahlung, der unter einem Winkel kleiner als dem Grenzwinkel θ der Totalreflexion auf die Strahlungsauskoppelfläche 21 auftrifft, kann den Halbleiterkörper 1 beim ersten Auftreffen verlassen, wie beispielsweise der Strahl 22 veranschaulicht. Der Anteil der Strahlung, der jedoch unter einem Winkel größer oder gleich dem Grenzwinkel der Totalreflexion auf die Strahlungskoppelfläche 21 auftrifft, wie beispielsweise der Strahl 23 veranschaulicht, würde in einem herkömmlichen Halbleiterkörper beim ersten Auftreffen totalreflektiert werden.
Im Rahmen der Erfindung können durch die Anordnung des photonischen Kristalls 7 in der zweiten Halbleiterschicht 3 Auskoppelverluste aufgrund der Totalreflektion verringert werden. Dies ist anhand des Strahls 23 beispielhaft dargestellt. Der photonische Kristall 7 klappt den Strahl 23 durch einen Umklapp-Prozess, dargestellt durch einen Umklappvektor 20, in einen Strahl 24 um, der dann unter einem Winkel kleiner dem Winkel θ der Totalreflexion auf die Strahlungsauskoppelfläche 21 auftrifft.
Dies lässt sich dadurch erklären, dass in einem Gitter, welches von dem photonischen Kristall 7 gebildet wird, sogenannte Umklapp-Prozesse möglich sind. Der Umklapp-Prozess entspricht im Photonen-Bild einer statistischen Streuung, wobei sich der Wellenvektor eines Photons durch die Wechselwirkung mit dem Gitter "umdrehen" kann. Die Wahrscheinlichkeit für einen Umklapp-Prozess hängt vom photonischen Kristall und von der Energie und der Einfallsrichtung des Photons ab.
Durch die Wechselwirkung mit dem photonischen Kristall 7 kann also die Ausfallrichtung der Strahlen umklappen, die unter einem Winkel gleich oder größer als dem Grenzwinkel θ auf den photonischen Kristall 7 auftreffen, so dass sie unter einem Winkel kleiner als dem Grenzwinkel θ auf die Strahlungsauskoppelfläche 21 auftreffen und somit auskoppeln können. Der Strahl 24 tritt teilweise durch die
Strahlungsauskoppelfläche 21 hindurch, was durch den Strahl 25 dargestellt ist, teilweise wird er an der Strahlungsauskoppelfläche 21 reflektiert, was durch den Strahl 26 dargestellt ist. Es sei angemerkt, dass der dem Strahl 26 entsprechende Anteil der reflektierten Strahlung erheblich geringer ist als der bei einer Totalreflexion reflektierte Anteil.
Die Wirkung des photonischen Kristalls 7 ist vergleichbar mit einer Vergrößerung des Grenzwinkels der Totalreflexion..
Das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dünnfilm-Halbleiterkörpers 1 entspricht bis auf ein weiteres Merkmal dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel. Das weitere Merkmal sind Strukturelemente 13 , die in Form sogenannter Mottenaugen ausgeführt sind, die in den Bereichen 7b regelmäßig angeordnet sind. Vorteilhafterweise lässt sich mittels einer so gebildeten Entspiegelungsstruktur der Anteil der auskoppelbaren Strahlung weiter erhöhen. Denn durch den bereits erwähnten nahezu kontinuierlichen Übergang des Brechungsindexes ausgehend von den Bereichen 7a bis zu den Strukturelementen 13, wird ein geringerer Anteil der Strahlung beim ersten Auftreffen auf die
Strahlungsauskoppelfläche 21 zurück in den Halbleiterkörper reflektiert.
Mittels der Strukturelemente 13 kann ein Bereich 27 zwischen zwei Interferenzmaxima 28 homogen ausgeleuchtet werden.
Figur 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dünnfilm-Halbleiterkörpers 1, der einen Träger 9 und einen Mehrschichtaufbau 16 aufweist. Zwischen dem Träger 9 und dem Mehrschichtaufbau 16 ist eine Haftvermittlungsschicht 8 angeordnet. Der Mehrschichtaufbau 16 umfasst eine lichtemittierende aktive Schicht 4, die zwischen einer p-leitenden ersten Halbleiterschicht 5 und einer n-leitenden zweiten Halbleiterschicht 3 angeordnet ist.
Die erste Halbleiterschicht 5 ist zwischen der aktiven Schicht 4 und einer metallischen Reflexionsschicht 6 angeordnet. Die elektrisch leitende Reflexionsschicht 6 fungiert sowohl als Spiegel als auch als elektrische Kontaktschicht zur ersten Halbleiterschicht 5. Die Reflexionsschicht 6 ist durch eine Diffusionsbarriereschicht 12 geschützt, die zwischen der Reflexionsschicht 6 und der Haftvermittlungsschicht 8 angeordnet ist. Der zweiten Halbleiterschicht 3 ist eine Auskoppelschicht 2 nachgeordnet, die einen photonischen Kristall 7 mit den periodisch angeordneten Bereichen 7a und 7b aufweist.
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines solchen Dünnfilm- Halbleiterkörpers 1 werden auf einem hier nicht gezeigten AufwachsSubstrat nacheinander die zweite Halbleiterschicht 3, die aktive Schicht 4 und die erste Halbleiterschicht 5 epitaktisch erzeugt. Auf diesen Epitaxie-Mehrschichtaufbau wird zum Beispiel durch Sputtern oder Aufdampfen die Reflexionsschicht 6 aufgebracht. Der Mehrschichtaufbau 16 wird mittels der Haftvermittlungsschicht 8 mit dem Träger 9, der zum Beispiel aus Germanium besteht oder zu einem wesentlichen Teil Germanium aufweist, verbunden. Das Aufwachssubstrat wird danach entfernt.
Die Hauptabstrahlungsrichtung der in der aktiven Schicht 4 erzeugten Strahlung und der von der Reflexionsschicht 6 reflektierten Strahlung ist in Figur 3 durch den Pfeil 10 beziehungsweise 11 angedeutet. Das durch die Interferenz der beiden Strahlungsanteile 10 und 11 erzeugte Licht tritt durch die Strahlungsauskoppelfläche 21 aus dem Dünnfilm- Halbleiterkörper 1 heraus .
Der Abstand d zwischen der Reflexionsschicht 6 und der aktiven Schicht 4, der in diesem Ausführungsbeispiel gleich der Dicke der ersten Halbleiterschicht 5 ist, ist derart eingestellt, dass die von der aktiven Schicht 4 abgestrahlte Strahlung mit einer von der Reflexionsschicht 6 reflektierten Strahlung interferiert.
Dadurch kann im vorliegenden Ausführungsbeispiel innerhalb des Halbleiterkörpers 1 die Abstrahlcharakteristik so eingestellt werden, dass zumindest die 0. und die 1. Ordnung in einem Winkel auf die Strahlungsauskoppelfläche 21 treffen, der unterhalb des Winkels θ der Totalreflexion liegt, sodass die Strahlung auskoppeln kann. Ferner kann mittels des photonischen Kristalls 7 durch Umklapp-Prozesse die Strahlung 2. Ordnung und gegebenenfalls höherer Ordnungen aus dem Halbleiterkörper 1 auskoppeln.
In den Figuren 4a und 4b sind Intensitätsverteilungen zweier Strahlung emittierender Dünnfilm-Halbleiterkörper mit glatter Strahlungsauskoppelflache und ohne photonischen Kristall auf der Basis von GaN dargestellt, wobei die Dünnfilm- Halbleiterkörper einen unterschiedlichen Abstand d aufweisen.
Bevorzugte Werte für den Abstand d der aktiven Schicht 4 von der Reflexionsschicht 6 sind für die Strahlung mit der Wellenlänge λ = 455 nm (entspricht der Wellenlänge λ. = 182 nm im Halbleiter auf der Basis von GaN mit einem Brechungsindex n = 2,5) etwa d = 50 nm für die Auskopplung nullter Ordnung, etwa d = 140 nm für die Auskopplung erster Ordnung und etwa d = 230 nm für die Auskopplung zweiter Ordnung.
In Figur 4a ist die Intensitätsverteilung eines Dünnfilm- Halbleiterkörpers dargestellt, dessen Abstand zwischen der aktiven Schicht 4 und der Reflexionsschicht 6 etwa 155 nm beträgt. Somit ist der Abstand resonant eingestellt, und es kann in der Hauptabstrahlrichtung konstruktive Interferenz auftreten. Entsprechend der vorhergehenden Ausführungen kann aufgrund des Abstands ein Interferenzmaximum 0. und 1. Ordnung auftreten, wobei das Interfernzmaximum 0. Ordnung bei einem Winkel von etwa 0° auftritt. Die Interferenzmaxima 0. und 1. Ordnung sind aufgrund ihrer Breite nicht deutlich voneinander unterscheidbar.
Der Abstand des Dünnfilm-Halbleiterkörpers, dessen Intensitätsverteilung in Figur 4b dargestellt ist, ist so eingestellt, dass in der Vorwärtsrichtung destruktive Interferenz auftritt . Der Abstand zwischen der aktiven Schicht 4 und der Reflexionsschicht 6 beträgt etwa 180 nm.
Als Folge tritt bei 0° kein Interferenzmaximum auf. Stattdessen ist bei einem Winkel von -45° und 50° jeweils ein Intensitätsmaximum 1. Ordnung zu sehen.
In Figur 5 ist eine Simulation eines Auskoppelwirkungsgrades, das heißt das Verhältnis des Anteils der ausgekoppelten Strahlung zur erzeugten Strahlung, gegenüber dem Abstand d dargestellt. Die Simulation basiert auf einem GaN- Halbleiterkörper ohne photonischen Kristall . Bei den Abständen d = 150 nm und d = 230 nm, bei denen in der Hauptabstrahlungsrichtung konstruktive Interferenz auftreten kann, nimmt der Auskoppelwirkungsgrad maximale Werte an. Dies gilt für alle Winkel gleichermaßen, wobei die Kurve 1 den Verlauf für einen Winkel von 20°, die Kurve 2 den Verlauf für einen Winkel von 30°, die Kurve 3 den Verlauf für einen Winkel von 40° und die Kurve 4 den Verlauf für einen Winkel von 50° dargestellt. Es ist anzunehmen, dass unterhalb von 150 nm weitere Maxima vorhanden sind.
Ausgehend von dem Brechungsindex n = 2,5 und einem Brechungsindex n = 1 für das umgebende Medium, vorzugsweise Luft, ergibt sich ein Grenzwinkel der Totalreflexion von etwa θ = 24°. Bei dem Abstand d = 230 nm bilden Strahlen der zweiten Ordnung, die auf die Strahlungsauskoppelfläche 21 auftreffen, mit der Normalen der Strahlungsauskoppelfläche 21 einen Winkel von etwa 60° und können somit totalreflektiert werden. Dadurch kann der Auskoppelwirkungsgrad bei 230 nm kleiner sein als bei 150 nm.
Mithilfe des photonischen Kristalls, der auf die 1. und die 2. Ordnung abgestimmt ist, kann die 2. Ordnung zur Auskopplung gelangen, indem Strahlen die unter einem Winkel größer oder gleich 24° auf den photonischen Kristall auftreffen, derart umgelenkt werden, dass sie unter einem Winkel kleiner als 24° auf die Strahlungsauskoppelfläche 21 auftreffen.
Bei dem vierten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6 ist im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 zwischen der aktiven Schicht 4 und der ersten Halbleiterschicht 5 mindestens eine weitere, vorzugsweise eine dünne Ladungsträger-Barriereschicht 15 angeordnet. Die Ladungsträger-Barriereschicht 15 ist vorzugsweise Bestandteil des Halbleiterkörpers 1 und daher epitaktisch aufgewachsen und halbleitend. Entsprechend dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 ist auf der zweiten Halbleiterschicht 3 eine Auskoppelschicht 2 mit einem photonischen Kristall 7 angeordnet. Sowohl in dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel als auch in dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel können entsprechend dem in Figur 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiels zwischen den Bereichen 7a Strukturelemente zur Bildung einer Entspiegelungsstruktur angeordnet sein.
Das in Figur 7 dargestellte fünfte Ausführungsbeispiel entspricht einer Mikrokavität (Resonant Cavity LED) . In Ergänzung zu dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das fünfte Ausführungsbeispiel auf der zweiten Halbleiterschicht 3 eine zweite Reflexionsschicht 14 auf. Der Abstand f zwischen der ersten Reflexionsschicht 6 und der zweiten Reflexionsschicht 14 ist dabei resonant eingestellt. Vorzugsweise entspricht der Abstand f der Wellenlänge der von der aktiven Schicht 4 emittierten Strahlung. Für die im Halbleiterkörper 1 auftretenden Interferenzeffekte gilt das bereits im Zusammenhang mit Figur 3 erwähnte.
In Figur 8 ist ein optisches Bauelement gezeigt, das einen gehäusten Dünnfilm-Halbleiterkörper 1 beispielsweise gemäß der in den Figuren 1 bis 5 vorgestellten Ausführungsbeispiele umfasst. Der Halbleiterkörper 1 wird auf einem Leiterrahmen 17 montiert und in einer Vertiefung des Gehäuses 18 verbaut. Die Vertiefung des Gehäuses 18 weist vorzugsweise eine Strahlung reflektierende Oberfläche auf. Der Halbleiterkörper 1 ist mit einer Vergussmasse 19 verkapselt.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht durch die beispielhafte Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von einzelnen Merkmalen der verschiedenen Patentansprüche oder der verschiedenen Ausführungsbeispiele untereinander beinhaltet, auch wenn das betreffende Merkmal oder die betreffende Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) mit einer zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Schicht (4) , einer der aktiven Schicht nachgeordneten Strahlungsauskoppelfläche (21) und einer auf der der Strahlungsauskoppelfläche (21) abgewandten Seite der aktiven Schicht (4) angeordneten Reflexionsschicht
(6) , wobei der Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) einen photonischen Kristall
(7) aufweist.
2. Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) nach Anspruch 1, wobei der photonische Kristall (7) auf einer der Strahlungsauskoppelfläche (21) zugewandten Seite des Halbleiterkörpers (1) angeordnet ist.
3. Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der photonische Kristall (7) in vertikaler Richtung von der Strahlungsauskoppelfläche (21) begrenzt ist.
4. Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der photonische Kristall (7) eine Mehrzahl von ersten Bereichen (7a) mit einem ersten Brechungsindex und eine Mehrzahl von zweiten Bereichen (7b) mit einem zweiten Brechungsindex aufweist .
5. Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) nach Anspruch 4, wobei die Bereiche (7a, 7b) regelmäßig angeordnet sind.
6. Dünnfilm- Halbleiterkörper (1) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Bereiche (7a, 7b) ein eindimensionales, zweidimensionales oder dreidimensionales Gitter bilden.
7. Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand (d) zwischen der aktiven Schicht (4) und der Reflexionsschicht (6) derart eingestellt ist, dass eine von der aktiven Schicht (4) in Richtung der
Strahlungsauskoppelfläche (21) ausgesandte Strahlung (10) mit einer von der Reflexionsschicht (6) reflektierten Strahlung (11) interferiert und eine Abstrahlcharakterisitk mit mindestens einer Vorzugsrichtung erzielt wird.
8. Dünnfilm- Halbleiterkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die aktive Schicht (4) zwischen einer ersten Halbleiterschicht (3) eines ersten Leitfähigkeitstyps angeordnet ist .
9. Dünnfilm- Halbleiterkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die aktive Schicht (4) zwischen einer zweiten Halbleiterschicht (5) eines zweiten Leitfähigkeitstyps angeordnet ist.
10. Dünnfilm- Halbleiterkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Halbleiterschicht (5) zwischen der
Reflexionsschicht (6) und der aktiven Schicht (4) angeordnet ist.
11. Dünnfilm- Halbleiterkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Dünnfilm- Halbleiterkörper (1) eine Entspiegelungsstruktur aufweist.
12. Dünnfilm- Halbleiterkörper (1) nach Anspruch 11, wobei die Entspiegelungsstruktur Strukturelemente (13) aufweist, deren laterale Abmessung kleiner als die Wellenlänge der vom Halbleiterkörper (1) emittierten Strahlung ist.
13. Dünnfilm- Halbleiterkörper (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die zweite Halbleiterschicht (3) die Strahlungsauskoppelfläche (21) aufweist.
14. Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, der einen Resonator (6, 14) umfasst.
15. Dünnfilm- Halbleiterkörper nach Anspruch 14, wobei der zweiten Halbleiterschicht (3) eine zweite Reflexionsschicht (14) nachgeordnet ist.
16. Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) nach Anspruch 15, wobei die erste und die zweite Reflexionsschicht (6, 14) eine Metallschicht ist.
17 Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei der Abstand (d) zwischen der Reflexionsschicht (6) und der aktiven Schicht (4) gleich der Dicke der ersten Halbleiterschicht (5) ist.
18. Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 13 oder 17, wobei der Abstand (d) zwischen der Reflexionsschicht (6) und der aktiven Schicht (4) kleiner als 2λ ist, wobei λ die Wellenlänge der Strahlung im Halbleiterkörper (1) ist.
19. Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche , wobei der Halbleiterkörper GaN oder mindestens eine GaN- Verbindung enthält .
20. Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche , mit einem der Reflexionsschicht (6) zugewandten Träger (9) , der kein Aufwachssubstrat für den Halbleiterkörper (1) ist.
21. Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) nach Anspruch 20, wobei zwischen der Reflexionsschicht (6) und dem Träger (9) mindestens eine Haftvermittlungsschicht (8) vorgesehen ist.
22. Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) nach Anspruch 20 oder 21, wobei der Träger (9) elektrisch leitend ist und die erste Halbleiterschicht (5) durch diesen kontaktiert ist.
23. Verfahren zur Herstellung eines Dünnfilm- Halbleiterkörpers (1) mit einer zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Schicht (4) , einer der aktiven Schicht
(4) nachgeordneten Strahlungsauskoppelfläche (21) , mit einem photonischen Kristall (7) , mit einer auf der der Strahlungsauskoppelfläche (21) abgewandten Seite der aktiven Schicht (4) angeordneten Reflexionsschicht (6) , wobei - an einer zu einem Träger (9) hin gewandten ersten Hauptseite einer Strahlungserzeugenden Epitaxieschichtenfolge eine Reflexionsschicht (6) aufgebracht oder ausgebildet wird, die zumindest einen Teil der in der Epitaxieschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert; und - eine von dem Träger (9) abgewandte zweite Hauptseite, die eine spätere Strahlungsauskoppelseite bildet, mit einem photonischen Kristall (7) versehen wird.
24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei in den Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) strahlungsauskoppelseitig Vertiefungen eingebracht werden.
25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Vertiefungen mittels eines Ätzverfahrens erzeugt werden.
26. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, die Vertiefungen mit einem Füllmaterial gefüllt werden.
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