WO2009068015A1 - Optoelektronischer halbleiterchip mit einer dielektrischen schichtstruktur - Google Patents

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WO2009068015A1
WO2009068015A1 PCT/DE2008/001973 DE2008001973W WO2009068015A1 WO 2009068015 A1 WO2009068015 A1 WO 2009068015A1 DE 2008001973 W DE2008001973 W DE 2008001973W WO 2009068015 A1 WO2009068015 A1 WO 2009068015A1
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WO
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semiconductor chip
mirror
low
layer
light
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PCT/DE2008/001973
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Lutz Höppel
Matthias Sabathil
Karl Engl
Johannes Baur
Andreas Weimar
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Publication date
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    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01L33/46—Reflective coating, e.g. dielectric Bragg reflector
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    • H01L33/20—Semiconductor devices having potential barriers 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 semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate
    • H01L33/22—Roughened surfaces, e.g. at the interface between epitaxial layers

Definitions

  • An optoelectronic semiconductor chip with a mirror structure that comprises a dielectric layer structure is specified.
  • An object to be solved is to increase the coupling-out efficiency of an optoelectronic semiconductor chip.
  • the invention relates to a semiconductor chip with a semiconductor layer sequence which has an active layer for generating electromagnetic radiation.
  • the semiconductor chip also includes a mirror structure including a dielectric layer structure.
  • the active layer of the optoelectronic semiconductor chip In the active layer of the optoelectronic semiconductor chip, light is generated which can leave the semiconductor chip via a coupling-out structure. However, part of the light is absorbed in the semiconductor chip.
  • the coupling-out efficiency of the semiconductor chip indicates what percentage of the light generated in the active zone over the semiconductor chip
  • Decoupling structure leaves.
  • a mirror structure is used, which reflects the incident light back into the semiconductor layer sequence.
  • the mirror structure should be designed so that it reflects as much of the light as possible.
  • the mirror structure of the specified semiconductor chip comprises a dielectric layer structure which contains one or more dielectric layers.
  • Reflectance of this mirror structure is based on the course of the refractive indices in the semiconductor layer sequence and in the dielectric layer structure.
  • the mirror structure is configured to reflect at least 96% of the light incident upon it generated in the active zone. This lower limit for the reflectivity preferably also applies separately for each incident angle range under which the light strikes the mirror structure.
  • the semiconductor chip is based on a nitride compound semiconductor material.
  • a nitride compound semiconductor material preferably has or consists of Al n Ga m Ini -n - m N, where 0 ⁇ n ⁇ 1, 0 ⁇ m ⁇ 1 and n + m ⁇ 1.
  • This material does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to the above formula. Rather, it may, for example, one or more dopants and additional components exhibit.
  • the above formula contains only the essential constituents of the crystal lattice (Al, Ga, In, N), even if these can be partially replaced and / or supplemented by small amounts of further substances.
  • the semiconductor chip in the active zone generates light of a color from blue to green. This corresponds to a wavelength range from 400 nm to 550 nm.
  • the semiconductor layer sequence based on gallium nitride and the active zone are formed on the basis of indium gallium nitride.
  • the semiconductor chip is a thin-film light-emitting diode chip.
  • the semiconductor layer sequence is preferably grown epitaxially on a substrate which is partially or completely removed after the growth process.
  • the dielectric layer structure may be arranged between the carrier and the semiconductor layer sequence.
  • the dielectric layer structure comprises at least one dielectric layer which contains a so-called low-index material with a refractive index n ⁇ 1.38. If the refractive index of the low index material is n ⁇ 1.25, it is also referred to as ultra low index material.
  • the dielectric layer which contains a low-index material, is referred to for short as a low-index layer.
  • the reflectivity of the low-index layer is based on a jump in the refractive index between two adjacent layers.
  • the refractive index of the first layer from which the light comes is greater than the refractive index of the adjacent layer.
  • Incidence angle on the interface of the layers which is greater than a so-called critical angle, so it is ideally totally lossless totally reflected.
  • the so-called effective reflectivity of the mirror which can be determined by integrating the reflectivity over all solid angles, is maximized by the largest possible jump in the refractive index. This is because the larger the jump in refractive index between the adjacent layers, the smaller the critical angle. As a result, a larger proportion of the light is totally reflected lossless.
  • Low-index and ultra-low-index materials can be created by introducing pores into a bulk material using special deposition techniques.
  • the pores preferably have expansions in the nanometer range and are filled with a gas, for example air.
  • the bulk material has a refractive index that is greater than the refractive index of the gas, which is n "1 in the case of air. Through the pores, the effective refractive index of the dielectric Layer is lowered below the refractive index of the bulk material.
  • the low-index layer is based on a low-k or ultra low-k material, such as a silicon oxide.
  • the layer may then consist of this material or contain this material.
  • a low-k or ultra low-k dielectric absorbs very little light at a thickness in the range of up to several 100 nm.
  • the imaginary part K of the refractive index is a measure of the absorption capacity of a material. Depending on the proportion of other organic constituents, the imaginary part K for wavelengths of less than 300 nm is at a value of K ⁇ 0.0001. The absorption of light is no longer detectable ellipsometrically here.
  • the pores of the low-k or ultra-low-k material preferably have extents of less than 8 nm and more preferably less than 3 nm.
  • the refractive index of the low-index layer is smaller, the larger the volume fraction of the gas contained therein.
  • the dielectric layer should have as smooth a surface as possible in order to be able to establish a good connection with adjacent layers. For this reason, the pores should not be too big. Smaller pores also increase the mechanical stability of the dielectric mirror structure.
  • the low-index layer is based on air or nitrogen. That is, the low-index layer can be affected by a gas, in particular by air or
  • the low-index layer can then consist of this gas.
  • the semiconductor layer sequence is characterized by a grid of contacts with further layers of Mirror structure or connected to the carrier.
  • the contacts are for example vias.
  • a dielectric or other type of volume material can be subsequently dissolved out of a layer.
  • the grid of contacts on the one hand enables the electrical contacting of the semiconductor layer sequence. On the other hand, it mechanically connects the semiconductor layer sequence to the carrier and can also effect a thermal connection of these components.
  • the grid is designed such that at least 96% of the incident light is reflected at the dielectric mirror structure.
  • the low-index material has a refractive index n ⁇ 1.
  • Such materials are often referred to as metamaterials and may include periodic structures such as 2D photonic crystals.
  • the special optical properties of these materials are based on a plasmonic coupling between conductive material components, which are protected by dielectrics in the
  • the dielectric layer structure comprises at least one layer containing a 3D photonic crystal. This 3D photonic crystal has a refractive index modulation in three different spatial directions.
  • a total reflection of the light can be achieved, which is independent of the angle of incidence.
  • the periods of the 3D photonic crystal are approximately one quarter of the wavelength of the light to be reflected.
  • a base material with a refractive index n> 2.6 is used.
  • the dielectric layer structure has at least one Bragg mirror.
  • a Bragg mirror is composed of a sequence of dielectric layers with different refractive indices.
  • a Bragg mirror can be constructed from layer pairs whose layers contain, for example, silicon dioxide, tantalum dioxide or titanium dioxide.
  • the layers are chosen in terms of their indices of refraction and their thicknesses so that the most positive interference possible for this light is when it is reflected at the interfaces and if possible negative interference when it is transmitted.
  • the total reflectivity of the Bragg mirror increases with the number of layers.
  • Layer pair of a layer of silicon dioxide and a second layer of tantalum dioxide for example, a thickness of about 100 nm.
  • the thicknesses of the individual layers are tuned to the central wavelength of the incident light.
  • the reflectivity of the Bragg mirror for a spectral region can be adjusted by the difference in the refractive indices of the layers, as well as by the number of layer pairs.
  • a Bragg mirror consists of five or more pairs of layers.
  • the Bragg mirror in combination with a low-index layer.
  • the low-index layer is preferably located between the semiconductor layer sequence and the Bragg mirror.
  • the transmitted light has a Lambertian angular distribution instead of its originally isotropic angular distribution when hitting the Bragg mirror.
  • the Bragg mirror has a high reflectivity.
  • the mirror structure additionally comprises a metallic mirror layer in addition to the dielectric layer structure. This metallic mirror layer terminates the mirror structure in the direction of the carrier.
  • Suitable materials for the metallic mirror are, for example, aluminum, gold and / or silver. For light in the blue to green spectral range, silver has a very high reflectivity. Often a base material with small amounts of other metals, such as platinum or titanium, is added. That is, the mirror may include at least one of the following materials or be made of one of the following materials: gold, silver, aluminum, platinum, titanium.
  • the metallic mirror can be used, for example, analogously to the embodiment just described instead of a Bragg mirror.
  • the mirror structure comprises a layer of a low-index material, a Bragg mirror and a metallic mirror.
  • FIGS. 1 and 2 in cross-section two embodiments of optoelectronic semiconductor chips each having a mirror structure comprising a dielectric layer structure and a metallic mirror,
  • Figure 3A in cross section a semiconductor chip with a
  • FIG. 3B is a line diagram of the reflectivities of various semiconductor chips measured according to FIG. 3A,
  • FIG. 4 shows in the line diagram the light extraction of semiconductor chips at different refractive indices of the respective dielectric layer and the influence of a potting on the light outcoupling
  • FIG. 5A is an oblique view of an ID photonic crystal
  • FIG. 5B shows an oblique view of a 2D photonic crystal
  • FIG. 5C shows an oblique view of a 3D photonic crystal
  • FIG. 5D is a line diagram of the photonic band structure of a 3D photonic crystal
  • Figure 6A in cross section a semiconductor chip with a
  • FIGS. 6B, 6C, 6D and 6E in cross-section, semiconductor chips with different mirror structures
  • FIG. 6F shows a comparison of the line diagram in the line diagram
  • FIG. 1 shows an embodiment of the semiconductor chip according to the invention. It has a semiconductor layer sequence 1 with an active zone 11 for generating electromagnetic radiation.
  • the active zone 11 is located between two layers 12, 13 of the semiconductor layer sequence 1, wherein one of the layers is p-type, the other n-type.
  • the light generated in the active zone 11 can leave the semiconductor chip via a coupling-out structure 15.
  • the layer sequence 1 adjoins a mirror structure 2 which comprises a dielectric layer structure 21 and a metallic mirror 22. Light that hits the mirror structure 2 should as completely as possible in the
  • Semiconductor layer sequence 1 are reflected back so that it can then leave the semiconductor chip via the coupling-out structure 15.
  • Layer structure 21 are reflected back into the semiconductor layer sequence 1. Since the dielectric layer structure 21 is transparent to the light generated in the active region 11, the proportion of the light that is not reflected by the dielectric layer structure 21 can pass through it. The light then strikes the adjacent metallic mirror 22 and can be reflected back into the semiconductor layer sequence 1 by it.
  • the entire arrangement is located on a support 3. Via an upper contact structure 41 and a lower contact structure 42, the semiconductor chip is electrically contacted. In addition, lead through the dielectric layer structure 21 via holes 43, which produce an electrically conductive connection of the semiconductor layer sequence 1 with the metallic mirror 22 and consequently also with the lower contact structure 42. In order to keep the absorption of light as low as possible, the plated-through holes are, for example, mirrored with silver and occupy the smallest possible area.
  • the vias 43 may be formed as posts, for example, as a cuboid or cylinder are designed.
  • the plated-through holes can be surrounded by the layer structure 21 on their side surfaces, that is to say laterally.
  • the layer structure 21 can directly adjoin at least one via 43 and be in direct contact therewith.
  • the layer structure 21 is a gas, for example air.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the semiconductor chip according to the invention. Here is the basis
  • Semiconductor layer sequence 1 for example, on gallium nitride and the active layer 11 on indium gallium nitride, wherein light is generated in the green spectral range.
  • the decoupling structure 15 is located at the top of an n-conductive layer 12.
  • the decoupling structure 15 is roughened in this embodiment.
  • the p-type layer 13 is adjacent to a current spreading layer (TCO) 14.
  • a dielectric layer structure 21 limits the
  • Semiconductor layer sequence 1 in the direction of the carrier and also laterally. It is interrupted by plated-through holes 43, which electrically conductively connect the electrically conductive current spreading layer 14 to a metallic mirror 22.
  • the metallic mirror 22 is followed by another contact structure 42.
  • the vertical subdivision of the semiconductor chip in the semiconductor layer sequence 1, the mirror structure 2 and the carrier 3 is only to be understood schematically here, since it is canceled, inter alia, by the lateral shaping of the dielectric layer structure 21.
  • the invention also includes other embodiments of optoelectronic Semiconductor chips with, for example, have a different arrangement of carrier, coupling-out structure or mirror structure.
  • FIG. 3A schematically shows the beam path in the case of an optical measurement of the reflectivity of a semiconductor 1 with a mirror structure 2.
  • the mirror structure 2 can correspond to the mirror structure 2 shown in FIG. 1, or even comprise only a metallic mirror layer 22.
  • the arrangement shown has no metallic contacts, which break through the mirror structure 2 and lead to additional absorption of the light. Therefore, the reflectivity of a real semiconductor chip with mirror structure will be slightly lower than the value resulting from this measurement.
  • light 51 is radiated from the outside through the coupling-out structure 15 of the semiconductor chip.
  • a small part 52 of the incident light 51 is already reflected back to the outcoupling structure 15 in the environment.
  • the majority 53 of the incident light 51 penetrates into the semiconductor layer sequence 1 and strikes the mirror structure 2.
  • the roughened surface of the coupling-out structure 15 effects a distribution of the angles of incidence of the light 53.
  • the mirror structure 2 reflects a portion 54 of the incident light 53 into the semiconductor layer sequence 1 back, which can then leave the semiconductor chip via the coupling-out structure 15.
  • the entire reflectivity of the semiconductor chip is determined. This results from the quotient of the light reflected by the semiconductor chip 52, 54 and the incident light 51. This is the reflected light 52, 54, the sum of the light reflected at the surface 15 of the semiconductor chip 52 and the light reflected at the mirror structure 2 of the semiconductor chip 54.
  • the reflectivities for three different embodiments of semiconductor chips are plotted against the wavelength ⁇ of the incident light in the line diagram.
  • the wavelength is in the range of 300 nm to 700 nm.
  • a semiconductor chip 83 was measured, in which the mirror structure 2 comprises exclusively a metallic mirror layer 22 made of silver with a 0.1 nm thick adhesive layer of lead.
  • FIG. 3B shows that for incident light having a wavelength ⁇ ⁇ 360 nm, the reflectivities of all three embodiments 81, 82, 83 are approximately constant. The respective constant value corresponds to the portion 52 of the incident light 51, which is reflected directly at the coupling-out structure 15.
  • the reflectivities of the semiconductor chips with the dielectric layers 81, 82 are significantly greater than those of the semiconductor chip with only one metallic mirror 83.
  • the proportion 53 of the incident light which hits the mirror structure is first of all calculated.
  • the proportion 52 of the total incident light is subtracted, which is reflected directly back to the surface of the semiconductor chip in the environment. Subsequently, the
  • Proportion 54 determined on the total incident light 51, which is reflected by the mirror structure. These portions 52, 54 can be taken from FIG. 3B. The light extraction can now be estimated by the difference between these two values.
  • the result for the semiconductor chips with dielectric layers is a light extraction of approximately 85
  • the coupling-out efficiencies E of semiconductor chips comprising a dielectric layer are plotted against the refractive index n of their dielectric layer.
  • the respective mirror structures of the semiconductor chips have a metallic mirror of aluminum in addition to a dielectric layer.
  • the plotted values for the light extraction were determined in a simulation.
  • Such a casting has a higher refractive index than air. Thereby, a smaller part of the light coming from the semiconductor layer sequence 1 and on the
  • Outcoupling structure 15 is reflected, reflected back into the semiconductor layer sequence 1.
  • the encapsulation thus increases the coupling-out efficiency of the semiconductor chip.
  • FIG. 4 shows the decoupling efficiencies E for dielectric layers 21 with refractive indices in the range of 1 ⁇ n ⁇ 2.
  • a vertical line 93 indicates the refractive index of silicon dioxide.
  • the decoupling efficiency E of the semiconductor chip with Epoxydharzverguss 92 is in the entire area significantly above that of the surrounded by air semiconductor chip 91.
  • the simulation shows that in the direction of lower refractive indices, the decoupling E increases. This can be expected at Refractive indices n ⁇ 1, the coupling-out efficiency further increases.
  • FIGS 5A, 5B and 5C show various dielectric materials in which the refractive index changes periodically, respectively.
  • regions of high refractive index 100 alternate with regions of low refractive index 101.
  • Figure 5A schematically shows an ID photonic crystal in which the refractive index changes in one dimension.
  • High refractive index layers 100 and lower refractive index layers 101 alternate. This corresponds to the structure of a Bragg mirror.
  • Figure 5B shows schematically a 2D photonic crystal in which the refractive index changes in two dimensions.
  • Figure 5C schematically shows a 3D photonic crystal having a refractive index modulation in three different spatial directions.
  • a 3D photonic crystal By means of a 3D photonic crystal, a total reflection of the light can be achieved, which is independent of the angle of incidence.
  • the periods a, b and c of the 3D photonic crystal are at about one quarter of the wavelength of the light to be reflected.
  • a base material with a refractive index n> 2.6 is used.
  • FIG. 5D shows a line diagram of the photonic band structure 102 of a 3D photonic crystal.
  • the normalized frequencies c / ⁇ are against the Bloch vectors applied.
  • FIG. 5D shows a photonic stop band 103 in a specific wavelength range. Light of a wavelength within the stop band 103 is totally reflected incidence angle and lossless.
  • the location of the stopband 103 depends on the nature of the unit cell of the periodic structure and is preferably tuned to the radiation generated in the semiconductor chip. In such ideal total reflection can be dispensed with additional Bragg mirror or metallic mirror.
  • FIG. 6A shows in cross-section an exemplary embodiment of a semiconductor chip, in which the mirror structure 21 comprises a low-index layer 211, a Bragg mirror 212 and a metallic mirror 22.
  • the reflection of light at the different layers is schematically outlined.
  • Mirror layer 2 can meet. Is the angle of incidence greater than the critical angle drawn ⁇ c, so a large portion of the light at the interface of the semiconductor layer sequence 2 and the low- index layer 211 is totally reflected. This is for light 61 with a
  • Angle of incidence ⁇ i> ⁇ c the case. If the angle of incidence is smaller than the critical angle ⁇ c , a portion 62, 63 of the light penetrates into the layer 211 and then strikes the Bragg mirror 212 at angles ⁇ 2 ', ⁇ 3 '. At a sufficiently small angle ⁇ 2 A large part of the light 62 is reflected by the Bragg mirror 212. For a larger angle ⁇ 3 ', the reflectivity of the Bragg mirror 212 is significantly lower. Part of the light 63 passes Bragg mirror, strikes the metallic mirror 22 and can be reflected back from this.
  • the amount of light incident on the metallic mirror is minimized. Since the metallic mirror represents the layer in the mirror structure with the highest absorption capacity, this optimizes the reflectivity of the entire mirror structure.
  • the reflectivities R at different angles of incidence ⁇ of the light were calculated.
  • the respective mirror structures are outlined in FIGS. 6B, 6C, 6D and 6E.
  • the semiconductor layer sequences 1 are each based on gallium nitride.
  • the wavelength of the light ⁇ generated in the active zone is 460 nm.
  • FIG. 6B shows a semiconductor layer sequence 1 with a purely metallic mirror 22 made of silver.
  • the mirror layer comprises a low-k layer 211 of silicon dioxide and a metallic mirror 22 of silver.
  • the semiconductor chip shown in FIG. 6D comprises a TCO layer 14 of indium tin oxide, a low-k layer 211 of silicon dioxide and a metallic mirror 22 of silver.
  • the low-k layer 211 is implemented like the corresponding layer 211 in FIG. 6C.
  • the TCO layer 14 is
  • FIG. 6E outlines a semiconductor chip in which the mirror structure comprises a low-k layer 211 made of silicon dioxide, a Bragg mirror 212 and a metallic mirror 22 made of silver.
  • the low-k layer 211 is implemented like the corresponding layer 211 in FIG. 6C.
  • FIG. 6F the reflectivities R of the mirror structures according to FIGS. 6B, 6C, 6D and 6E are plotted against the angle of incidence ⁇ of the light.
  • the angle of incidence ⁇ at which the light strikes the mirror structure 2 is in the range of 0 to 90 °.
  • the reflectivity 72 varies greatly at values between 93% and 99%.
  • the reflectivity is approximately 100%.
  • Mirror structures greatly reduced reflectivity can be attributed essentially to the absorption of light in the TCO layer 14.
  • reflectivities 74 in the range of 99% to 100% arise at angles of incidence ⁇ between 0 ° and 30 °.
  • the low-k layer 211 is absolutely reflective and leads to a reflectivity of 100%.
  • FIG. 6F shows that there are incident angle ranges for the mirror structures shown in FIGS. 6B, 6C and 6D, in which the reflectivity is below 96%. Only for the mirror structure shown in FIG. 6E, which comprises a low-k layer 211, a Bragg mirror 212 and a metallic mirror 22, a reflectivity of well over 96% results for each angle of incidence.
  • the invention is not limited by the description based on the embodiments of these, but includes each new feature and any combination of features. This includes in particular any combination of features in the patent claims, even if this feature or combination itself is not explicitly stated in the patent claims or exemplary embodiments.

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Abstract

Es wird ein Halbleiterchip mit einer Halbleiterschichtenfolge (1) angegeben, die eine zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung vorgesehene aktive Schicht (11) aufweist. An die Halbleiterschichtenfolge schließt sich eine Spiegelstruktur (2) an, die eine dielektrische Schichtstruktur (21) umfasst. Diese Spiegelstruktur reflektiert mindestens 96 % des unter einem beliebigen Winkelbereichs auf sie treffenden, in der aktiven Zone (11) erzeugten Lichtes. Die Schichten (211, 212) der dielektrischen Schichtstruktur (21) können beispielsweise ein low-index Material oder einen 3D photonischen Kristall enthalten. Neben der dielektrischen Schichtstruktur (21) kann die Spiegelstruktur (2) zusätzlich einen metallischen Spiegel (22) umfassen.

Description

Beschreibung
Optoelektronischer Halbleiterchip mit einer dielektrischen Schichtstruktur
Es wird ein optoelektronischer Halbleiterchip mit einer Spiegelstruktur angegeben, die eine dielektrische Schichtstruktur umfasst.
In der Veröffentlichung J. -Q. Xi, M. Ojha, J. L. Plawsky, W. N. GiIl, J. K. Kim und E. F. Schubert, Appl . Phys . Lett. 87, 031111 (2005) wird eine Spiegelstruktur für elektromagnetische Strahlung beschrieben, die eine hohe Reflektivität aufweist.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, die Auskoppeleffizienz eines optoelektronischen Halbleiterchips zu steigern.
Es wird ein Halbleiterchip mit einer Halbleiterschichtenfolge angegeben, die eine aktive Schicht zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung aufweist. Der Halbleiterchip umfasst zudem eine Spiegelstruktur, die eine dielektrische Schichtstruktur beinhaltet.
In der aktiven Schicht des optoelektronischen Halbleiterchips wird Licht erzeugt, das den Halbleiterchip über eine Auskoppelstruktur verlassen kann. Ein Teil des Lichtes wird jedoch im Halbleiterchip absorbiert. Die Auskoppeleffizienz des Halbleiterchips gibt an, welcher Prozentsatz des in der aktiven Zone erzeugten Lichtes den Halbleiterchip über die
Auskoppelstruktur verlässt. Um die Absorption des Lichtes im Halbleiterchip möglichst gering zu halten, wird eine Spiegelstruktur eingesetzt, die das auftreffende Licht in die Halbleiterschichtenfolge zurückreflektiert . Die Spiegelstruktur sollte so gestaltet werden, dass sie einen möglichst großen Anteil des Lichtes reflektiert .
Dazu umfasst die Spiegelstruktur des angegebenen Halbleiterchips eine dielektrische Schichtstruktur, die eine oder mehrere dielektrische Schichten enthält. Das
Reflexionsvermögen dieser Spiegelstruktur beruht auf dem Verlauf der Brechungsindizes in der Halbleiterschichtenfolge und in der dielektrischen Schichtstruktur.
In einer Ausführungsform ist die Spiegelstruktur derart ausgestaltet, dass sie mindestens 96 % des auf sie treffenden, in der aktiven Zone erzeugten Lichtes reflektiert. Diese Untergrenze für das Reflexionsvermögen gilt dabei vorzugsweise auch separat für jeden Einfallswinkelbereich, unter dem das Licht auf die Spiegelstruktur trifft.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform basiert der Halbleiterchip auf einem Nitrid- Verbindungshalbleitermaterial. "Auf Nitrid- Verbindungshalbleitermaterial basierend" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass zumindest die aktive Zone, ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise AlnGamIni-n-mN aufweist oder aus diesem besteht, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n+m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
In einer Ausführungsform erzeugt der Halbleiterchip in der aktiven Zone Licht einer Farbe von blau bis grün. Dies entspricht einem Wellenlängenbereich von 400 nm bis 550 nm. Beispielsweise sind die Halbleiterschichtenfolge auf der Basis von Galliumnitrid und die aktive Zone auf der Basis von Indiumgalliumnitrid gebildet.
In einer Ausgestaltungsform ist der Halbleiterchip ein Dünnfilm-Leuchtdiodenchip. Die Halbleiterschichtenfolge wird vorzugsweise epitaktisch auf ein Substrat aufgewachsen, welches nach dem Aufwachsvorgang teilweise oder vollständig entfernt wird. Hier ist es vorteilhaft, die Halbleiterschichtenfolge mit einem weiteren Träger zu verbinden. Die dielektrische Schichtstruktur kann zwischen dem Träger und der Halbleiterschichtenfolge angeordnet sein.
In einer Ausführungsform umfasst die dielektrische Schichtstruktur wenigstens eine dielektrische Schicht, die ein so genanntes low- index Material mit einem Brechungsindex n < 1,38 enthält. Liegt der Brechungsindex des low- index Materials bei n < 1,25 wird es auch als ultra low- index Material bezeichnet.
Im Folgenden wird die dielektrische Schicht, die ein low- index Material enthält, abgekürzt als low- index Schicht bezeichnet . - A -
Das Reflexionsvermögen der low- index Schicht basiert auf einem Sprung im Brechungsindex zwischen zwei angrenzenden Schichten. Dabei ist der Brechungsindex der ersten Schicht, aus der das Licht kommt, größer als der Brechungsindex der angrenzenden Schicht. Trifft das Licht unter einem
Einfallswinkel auf die Grenzfläche der Schichten, der größer ist als ein so genannter kritischer Winkel, so wird es idealerweise verlustfrei totalreflektiert.
Die so genannte effektive Reflektivität des Spiegels, die durch eine Integration der Reflektivität über alle Raumwinkel bestimmt werden kann, wird durch einen möglichst großen Sprung im Brechungsindex maximiert . Dies beruht darauf, dass der kritische Winkel desto kleiner ist, je größer der Sprung im Brechungsindex zwischen den benachbarten Schichten ist. Infolgedessen wird ein größerer Anteil des Lichtes verlustfrei totalreflektiert.
In einer Ausführungsform trifft das Licht direkt von der Halbleiterschichtenfolge auf die low-index Schicht. Basiert die Halbleiterschichtenfolge auf Galliumnitrid mit einem Brechungsindex von n = 2,33, so muss die low-index Schicht diesen schon recht niedrigen Wert möglichst stark unterschreiten .
Low-index und ultra low-index Materialien lassen sich erzeugen, indem man in ein Volumenmaterial mittels spezieller Depositionsverfahren Poren einbringt. Die Poren haben bevorzugt Ausdehnungen im Nanometerbereich und sind mit einem Gas, beispielsweise Luft, gefüllt. Das Volumenmaterial hat einen Brechungsindex, der größer ist, als der Brechungsindex des Gases, der im Fall von Luft bei n « 1 liegt. Durch die Poren wird der effektive Brechungsindex der dielektrischen Schicht unter den Brechungsindex des Volumenmaterials abgesenkt .
In einer Ausführungsform basiert die low- index Schicht auf einem low-k oder ultra low-k Material, wie beispielsweise einem Siliziumoxid. Die Schicht kann dann aus diesem Material bestehen oder dieses Material enthalten.
Die Dielektrizitätskonstante k von Siliziumdioxid liegt bei k = 3,9. Materialien, deren Dielektrizitätskonstanten diesen Wert unterschreiten, werden als low-k Materialien bezeichnet. Bei einer Dielektrizitätskonstante von k < 2,7 spricht man auch von einem ultra low-k Material. Durch die Absenkung der Dielektrizitätskonstante k lässt sich auch ein Brechungsindex n im low- index oder ultra low-index Bereich einstellen.
Ein low-k oder ultra low-k Dielektrikum absorbiert bei einer Dicke im Bereich von bis zu einigen 100 nm nur sehr wenig Licht. Der Imaginärteil K des Brechungsindex ist ein Maß für das Absorptionsvermögen eines Materials. Abhängig vom Anteil weiterer organischer Bestandteile liegt der Imaginärteil K für Wellenlängen bis zu unter 300 nm bei einem Wert von K ≤ 0,0001. Die Absorption des Lichtes ist hier ellipsometrisch nicht mehr nachweisbar.
Der Brechungsindex von Siliziumdioxid beispielsweise liegt bei n = 1,46. Gibt man diesem Material noch weitere Zusätze hinzu, so kann man so genannte spin-on Gläser mit Brechungsindizes bis zu einer unteren Grenze von n = 1,38 erzeugen. Geeignete Zusätze sind beispielsweise Fluor, Chlor oder C-H. Diese Stoffe belegen Bindungsstellen am Silizium und verhindern damit die Ausbildung eines voll kristallinen Netzwerks aus Siliziumdioxid. Durch das Einbringen von Poren lässt sich ein Brechungsindex von n < 1,38 erzeugen. Dazu können beispielsweise in ein Volumenmaterial aus Siliziumdioxid die oben genannten Zusätze eingebracht und anschließend durch Erhitzung wieder ausgetrieben werden. Der Brechungsindex kann durch derartiges Einbringen von Poren nicht beliebig weit abgesenkt werden, da bei zunehmender Porosität die mechanische Stabilität der Schicht beeinträchtigt sein kann und keine homogene Verteilung der Poren hergestellt werden kann. Für das
Volumenmaterial Siliziumdioxid lässt sich der Brechungsindex auf diese Weise bis zu einem Wert von zirka n = 1,14 absenken.
Die Poren des low-k oder Ultra low-k Materials besitzen bevorzugt Ausdehnungen von weniger als 8 nm und besonders bevorzugt von weniger als 3 nm.
Im Prinzip ist der Brechungsindex der low- index Schicht desto kleiner, je größer der Volumenanteil des darin enthaltenen Gases ist. Allerdings sollte die dielektrische Schicht eine möglichst glatte Oberfläche aufweisen, um eine gute Verbindung mit angrenzenden Schichten herstellen zu können. Aus diesem Grund sollten die Poren nicht zu groß sein. Kleinere Poren erhöhen zudem die mechanische Stabilität der dielektrischen Spiegelstruktur.
In weiteren Ausführungsformen basiert die low- index Schicht auf Luft oder auf Stickstoff. Das heißt, die low- index Schicht kann durch ein Gas, insbesondere durch Luft oder
Stickstoff gebildet sein. Die low- index Schicht kann dann aus diesem Gas bestehen. Die Halbleiterschichtenfolge ist dabei durch ein Raster aus Kontakten mit weiteren Schichten der Spiegelstruktur oder dem Träger verbunden. Bei den Kontakten handelt es sich zum Beispiel um Durchkontaktierungen.
Zur Herstellung einer derartigen Schicht kann beispielsweise ein dielektrisches oder auch anders geartetes Volumenmaterial nachträglich aus einer Schicht herausgelöst werden.
Das Raster aus Kontakten ermöglicht zum einen die elektrische Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge. Zum anderen verbindet es die Halbleiterschichtenfolge mit dem Träger mechanisch und kann auch eine thermische Anbindung dieser Bauelemente bewerkstelligen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Raster derart ausgestaltet, dass an der dielektrischen Spiegelstruktur mindestens 96 % des auftreffenden Lichtes reflektiert wird.
In einer weiteren Ausführungsform besitzt das low- index Material einen Brechungsindex n < 1.
Derartige Materialien werden häufig als Metamaterialien bezeichnet und können periodische Strukturen, wie zum Beispiel 2D photonische Kristalle, enthalten. Die besonderen optischen Eigenschaften dieser Materialien beruhen auf einer plasmonischen Kopplung zwischen leitenden Materialbestandteilen, die durch Dielektrika in der
Größenordnung der Wellenlänge voneinander getrennt sind. Entstehende Wechselwirkungseffekte zwischen der elektromagnetischen Welle und der periodischen Struktur führen zu Änderungen der Dispersionsrelation, und zu einem Brechungsindex n < 1. Für bestimmte Frequenzbereiche können derartige Materialien auch einen Brechungsindex n < 0 aufweisen und werden dann auch als negative index Materialien bezeichnet . In einer weiteren Ausführungsform umfasst die dielektrische Schichtstruktur wenigstens eine Schicht, die einen 3D photonischen Kristall enthält. Dieser 3D photonische Kristall weist eine Brechungsindexmodulation in drei verschiedenen Raumrichtungen auf .
Mittels eines 3D photonischen Kristalls kann eine Totalreflexion des Lichts erreicht werden, die unabhängig vom Einfallswinkel ist. Die Perioden des 3D photonischen Kristalls liegen dabei bei zirka einem Viertel der Wellenlänge des zu reflektierenden Lichtes. Um eine volle photonische Bandlücke zu erhalten, wird ein Grundmaterial mit einem Brechungsindex n > 2,6 verwendet. Ein geeignetes Material ist beispielsweise Silizium mit einem Brechungsindex von n = 3,5.
In einer weiteren Ausführungsform weist die dielektrische Schichtstruktur mindestens einen Bragg-Spiegel auf.
Ein Bragg-Spiegel setzt sich aus einer Abfolge von dielektrischen Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes zusammen. Beispielweise kann ein Bragg- Spiegel aus Schichtpaaren aufgebaut sein, deren Schichten beispielsweise Siliziumdioxid, Tantaldioxid oder Titandioxid enthalten.
Für eine bestimmte Wellenlänge des einfallenden Lichtes werden die Schichten hinsichtlich ihrer Brechungsindizes und ihrer Dicken so gewählt, dass für dieses Licht möglichst positive Interferenz auftritt, wenn es an den Grenzflächen reflektiert wird und möglichst negative Interferenz, wenn es transmittiert wird. Das Reflexionsvermögen des Bragg-Spiegels - S -
ist bei einem kleinen Einfallswinkel besonders gut. Die gesamte Reflektivität des Bragg- Spiegels nimmt mit der Anzahl der Schichten zu.
Für Licht im grünen Wellenlängenbereich besitzt ein
Schichtpaar aus einer Schicht aus Siliziumdioxid und einer zweiten Schicht aus Tantaldioxid beispielsweise eine Dicke von zirka 100 nm. Die Dicken der einzelnen Schichten werden auf die zentrale Wellenlänge des einfallenden Lichtes abgestimmt. Das Reflexionsvermögen des Bragg-Spiegels für einen spektralen Bereich kann durch den Unterschied in den Brechungsindizes der Schichten, sowie durch die Zahl der Schichtpaare eingestellt werden. Beispielsweise besteht ein Bragg-Spiegel aus fünf oder mehr Schichtpaaren.
Besonders vorteilhaft ist es, den Bragg-Spiegel in Kombination mit einer low- index Schicht einzusetzen. Vorzugsweise befindet sich dabei die low- index Schicht zwischen der Halbleiterschichtenfolge und dem Bragg-Spiegel.
Dabei wird Licht, das von der Halbleiterschichtenfolge kommend auf die low- index Schicht trifft, bei einem Einfallswinkel, der größer als der kritische Winkel ist, zum Großteil an der Grenzfläche zur low- index Schicht reflektiert. Licht mit einem Einfallswinkel kleiner als der kritische Winkel wird nur zu einem geringen Teil reflektiert und dringt teilweise in die dielektrische Schicht ein. Diese weist für das erzeugte Licht eine geringe Absorption auf und ist transparent. Das an der Grenzfläche transmittierte Licht kann deshalb die low- index Schicht durchqueren, auf den Bragg-Spiegel treffen und von diesem reflektiert werden. Die low- index Schicht und der Bragg-Spiegel ergänzen sich gegenseitig, da sie in zwei unterschiedlichen Einfallswinkelbereichen Licht optimal reflektieren. Die low- index Schicht reflektiert Licht umso besser, je größer der Einfallswinkel ist. Durch die einfallswinkelabhängige
Reflexion an der low- index Schicht weist das transmittierte Licht beim Auftreffen auf den Bragg-Spiegel statt seiner ursprünglich isotropen Winkelverteilung eine lambertsche Winkelverteilung auf. Für diese Winkelverteilung besitzt der Bragg-Spiegel ein hohes Reflexionsvermögen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Spiegelstruktur neben der dielektrischen Schichtstruktur zusätzlich eine metallische Spiegelschicht. Diese metallische Spiegelschicht schließt die Spiegelstruktur in Richtung des Trägers ab .
Geeignete Materialien für den metallischen Spiegel sind beispielsweise Aluminium, Gold und/oder Silber. Für Licht im blauen bis grünen Spektralbereich besitzt Silber eine sehr hohe Reflektivität . Oft wird ein Grundmaterial mit geringen Anteilen weiterer Metalle, wie zum Beispiel Platin oder Titan, versetzt. Das heißt, der Spiegel kann zumindest eines der folgenden Materialien enthalten oder aus einem der folgenden Materialien bestehen: Gold, Silber, Aluminium, Platin, Titan.
Der metallische Spiegel kann beispielsweise analog zur gerade geschilderten Ausführungsform an Stelle eines Bragg-Spiegels eingesetzt werden. In einer weiteren Variante umfasst die Spiegelstruktur eine Schicht aus einem low- index Material, einen Bragg-Spiegel und einen metallischen Spiegel. Im Folgenden werden der angegebene Halbleiterchip und seine vorteilhaften Ausgestaltungen anhand von schematischen und nicht maßstabsgetreuen Figuren erläutert.
Es zeigen:
Figuren 1 und 2 im Querschnitt zwei Ausführungsformen von optoelektronischen Halbleiterchips mit jeweils einer Spiegelstruktur, die eine dielektrische Schichtstruktur und einen metallischen Spiegel umfasst,
Figur 3A im Querschnitt einen Halbleiterchip mit einer
Spiegelstruktur, dessen Reflektivität durch Lichteinstrahlung von außen vermessen wird,
Figur 3B im Liniendiagramm die gemäß Figur 3A gemessenen Reflektivitäten verschiedener Halbleiterchips,
Figur 4 im Liniendiagramm die Lichtauskopplung von Halbleiterchips bei unterschiedlichen Brechungsindizes der jeweiligen dielektrischen Schicht und der Einfluss eines Vergusses auf die Lichtauskopplung ,
Figur 5A eine schräge Ansicht eines ID photonischen Kristalls,
Figur 5B eine schräge Ansicht eines 2D photonischen Kristalls,
Figur 5C eine schräge Ansicht eines 3D photonischen Kristalls, Figur 5D im Liniendiagramm die photonische Bandstruktur eines 3D photonischen Kristalls,
Figur 6A im Querschnitt einen Halbleiterchip mit einer
Spiegelstruktur und schematisch die Lichtreflexion an den verschiedenen Spiegelschichten,
Figuren 6B, 6C, 6D und 6E im Querschnitt Halbleiterchips mit unterschiedlichen Spiegelstrukturen,
Figur 6F im Liniendiagramm einen Vergleich der
Reflektivitäten der Spiegelstrukturen gemäß den Figuren 6B, 6C, 6D und 6E für verschiedene Einfallswinkel des Lichtes .
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten, es sei denn, Einheiten sind ausdrücklich angegeben. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterchips . Er weist eine Halbleiterschichtenfolge 1 mit einer aktiven Zone 11 zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung auf . Die aktive Zone 11 befindet sich zwischen zwei Schichten 12, 13 der Halbleiterschichtenfolge 1, wobei eine der Schichten p-leitend, die andere n-leitend ist. Das in der aktiven Zone 11 erzeugte Licht kann den Halbleiterchip über eine Auskoppelstruktur 15 verlassen. Die Schichtenfolge 1 grenzt an eine Spiegelstruktur 2, die eine dielektrische Schichtstruktur 21 und einen metallischen Spiegel 22 umfasst. Licht, das auf die Spiegelstruktur 2 trifft, soll möglichst vollständig in die
Halbleiterschichtenfolge 1 zurück reflektiert werden, damit es anschließend über die Auskoppelstruktur 15 den Halbleiterchip verlassen kann.
Dabei kann das Licht schon von der dielektrischen
Schichtstruktur 21 in die Halbleiterschichtenfolge 1 zurück reflektiert werden. Da die dielektrische Schichtstruktur 21 für das in der aktiven Zone 11 erzeugte Licht transparent ist, kann der Anteil des Lichtes, der nicht an der dielektrischen Schichtstruktur 21 reflektiert wird, diese durchlaufen. Das Licht trifft dann auf den angrenzenden metallischen Spiegel 22 und kann von diesem in die Halbleiterschichtenfolge 1 zurück reflektiert werden.
Die gesamte Anordnung befindet sich auf einem Träger 3. Über eine obere KontaktStruktur 41 und eine untere Kontaktstruktur 42 wird der Halbleiterchip elektrisch kontaktiert. Zudem führen durch die dielektrische Schichtstruktur 21 Durchkontaktierungen 43, die eine elektrisch leitfähige Verbindung der Halbleiterschichtenfolge 1 mit dem metallischen Spiegel 22 und infolgedessen auch mit der unteren Kontaktstruktur 42 herstellen. Um die Absorption von Licht möglichst gering zu halten sind die Durchkontaktierungen beispielsweise mit Silber verspiegelt und belegen eine möglichst kleine Fläche.
Die Durchkontaktierungen 43 können dabei als Pfosten ausgebildet sind, die zum Beispiel als Quader oder Zylinder gestaltet sind. Die Durchkontaktierungen können an ihren Seitenflächen, das heißt seitlich, von der Schichtstruktur 21 umgeben sein. Mit anderen Worten kann die Schichtstruktur 21 direkt an zumindest eine Durchkontaktierung 43 grenzen und sich mit dieser in direktem Kontakt befinden. Dabei ist es auch möglich, dass es sich bei der Schichtstruktur 21 um ein Gas, zum Beispiel Luft handelt.
Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterchips. Hier basiert die
Halbleiterschichtenfolge 1 beispielsweise auf Galliumnitrid und die aktive Schicht 11 auf Indiumgalliumnitrid, wobei Licht im grünen Spektralbereich erzeugt wird.
Die Auskoppelstruktur 15 befindet sich an der Oberseite einer n- leitenden Schicht 12. Die Auskoppelstruktur 15 ist in dieser Ausführungsform aufgeraut. Die p-leitende Schicht 13 grenzt an eine Stromaufweitungsschicht (TCO) 14.
Eine dielektrische Schichtstruktur 21 begrenzt die
Halbleiterschichtenfolge 1 in Richtung des Trägers und auch seitlich. Sie ist von Durchkontaktierungen 43 unterbrochen, die die elektrisch leitfähige Stromaufweitungsschicht 14 mit einem metallischen Spiegel 22 elektrisch leitend verbinden. An den metallischen Spiegel 22 schließt sich eine weitere Kontaktstruktur 42 an.
Die vertikale Unterteilung des Halbleiterchips in Halbleiterschichtenfolge 1, Spiegelstruktur 2 und Träger 3 ist hier nur noch schematisch zu verstehen, da sie unter anderem durch die seitliche Ausformung der dielektrischen Schichtstruktur 21 aufgehoben ist. Die Erfindung schließt auch weitere Ausführungsformen von optoelektronischen Halbleiterchips mit ein, die beispielsweise eine andere Anordnung von Träger, Auskoppelstruktur oder Spiegelstruktur aufweisen.
Figur 3A zeigt schematisch den Strahlengang bei einer optischen Vermessung der Reflektivität eines Halbleiters 1 mit einer Spiegelstruktur 2. Die Spiegelstruktur 2 kann dabei der in Figur 1 gezeigten Spiegelstruktur 2 entsprechen, oder auch nur eine metallische Spiegelschicht 22 umfassen. Die gezeigte Anordnung weist keine metallischen Kontakte auf, die die Spiegelstruktur 2 durchbrechen und zu zusätzlicher Absorption des Lichtes führen. Deshalb wird die Reflektivität eines realen Halbleiterchips mit Spiegelstruktur etwas geringer sein, als der Wert, der sich aus dieser Messung ergibt.
Bei der Vermessung der Reflektivitäten wird von außen durch die Auskoppelstruktur 15 des Halbleiterchips Licht 51 eingestrahlt. Ein geringer Teil 52 des eingestrahlten Lichtes 51 wird schon an der Auskoppelstruktur 15 in die Umgebung zurück reflektiert. Der Großteil 53 des eingestrahlten Lichtes 51 dringt in die Halbleiterschichtenfolge 1 ein und trifft auf die Spiegelstruktur 2. Die aufgeraute Oberfläche der Auskoppelstruktur 15 bewirkt eine Verteilung der Einfallswinkel des Lichts 53. Die Spiegelstruktur 2 reflektiert einen Anteil 54 des auftreffenden Lichts 53 in die Halbleiterschichtenfolge 1 zurück, der dann den Halbleiterchip über die Auskoppelstruktur 15 verlassen kann.
Bei einer derartigen Messung wird die gesamte Reflektivität des Halbleiterchips ermittelt. Diese ergibt sich aus dem Quotienten des vom Halbleiterchip reflektierten Lichtes 52, 54 und des eingestrahlten Lichtes 51. Dabei ist das reflektierte Licht 52, 54 die Summe des an der Oberfläche 15 des Halbleiterchips reflektierten Lichtes 52 und des an der Spiegelstruktur 2 des Halbleiterchips reflektierten Lichtes 54.
In Figur 3B sind im Liniendiagramm die Reflektivitäten für drei verschiedene Ausführungsformen von Halbleiterchips gegen die Wellenlänge λ des eingestrahlten Lichtes aufgetragen. Die Wellenlänge liegt im Bereich von 300 nm bis 700 nm.
Bei zwei Halbleiterchips 81, 82 umfasst die Spiegelstruktur 2 eine dielektrische Schicht 21 aus Siliziumdioxid mit einem Brechungsindex von n = 1,46 sowie einen metallischen Spiegel 22 aus Silber mit einer 0,1 nm dicken Haftschicht aus Titan.
Als Referenz dazu wurde ein Halbleiterchip 83 vermessen, bei dem die Spiegelstruktur 2 ausschließlich eine metallische Spiegelschicht 22 aus Silber mit einer 0,1 nm dicken Haftschicht aus Blei umfasst.
Figur 3B zeigt, dass für eingestrahltes Licht mit einer Wellenlänge λ < 360 nm die Reflektivitäten aller drei Ausführungsformen 81, 82, 83 annähernd konstant verlaufen. Der jeweilige konstante Wert entspricht dem Anteil 52 des eingestrahlten Lichtes 51, der direkt an der Auskoppelstruktur 15 reflektiert wird.
Bei eingestrahltem Licht mit einer Wellenlänge λ im Bereich von zirka 360 nm bis 470 nm nehmen die Reflektivitäten aller drei Halbleiterchips 81, 82, 83 in Richtung größerer
Wellenlängen stark zu. Wird die Wellenlänge darüber hinaus noch vergrößert, ändern sich die Reflektivitäten der zwei Halbleiterchips mit dielektrischen Schichten 81, 82 nur noch wenig. Sie liegen jeweils annähernd bei 90 %. Bei einem rein metallischen Spiegel 83 steigt die Reflektivität im Bereich von 470 nm bis 700 nm langsam von 70 % auf einen Wert von zirka 78 % an.
Insgesamt kann aus der Zeichnung abgelesen werden, dass für Licht mit einer Wellenlänge λ > 450 nm die Reflektivitäten der Halbleiterchips mit den dielektrischen Schichten 81, 82 deutlich größer sind als die des Halbleiterchip mit lediglich einem metallischen Spiegel 83.
Mit Hilfe dieser Messung kann die Auskoppeleffizienz eines Halbleiterchips abgeschätzt werden, der sich im elektrischen Betrieb befindet. ■
Hierzu wird zunächst der Anteil 53 des eingestrahlten Lichts berechnet, der auf die Spiegelstruktur trifft. Dazu wird vom gesamten eingestrahlten Licht derjenige Anteil 52 abgezogen, der direkt an der Oberfläche des Halbleiterchips in die Umgebung zurück reflektiert wird. Anschließend wird der
Anteil 54 am gesamten eingestrahlten Licht 51 bestimmt, der von der Spiegelstruktur reflektiert wird. Diese Anteile 52, 54 können aus Figur 3B entnommen werden. Die Lichtauskopplung lässt sich nun durch die Differenz dieser beiden Werte abschätzen. Es ergibt sich für die Halbleiterchips mit dielektrischen Schichten eine Lichtauskopplung von zirka 85
In Figur 4 sind die Auskoppeleffizienzen E von Halbleiterchips, die eine dielektrische Schicht umfassen, gegen den Brechungsindex n ihrer dielektrischen Schicht aufgetragen. Die jeweiligen Spiegelstrukturen der Halbleiterchips weisen dabei neben einer dielektrischen Schicht einen metallischen Spiegel aus Aluminium auf . Die aufgetragenen Werte für die Lichtauskopplung wurden in einer Simulation ermittelt.
Dabei wurden zwei unterschiedliche Ausführungsformen 91, 92 von Halbleiterchips betrachtet. In einer Ausführungsform 91 grenzt die Auskoppelstruktur 15 des Halbleiterchips 1 direkt an die Umgebungsluft an. In einer zweiten Ausführungsform 92 befindet sich auf der Auskoppelstruktur eine Epoxydharzabdeckung .
Ein derartiger Verguss besitzt einen größeren Brechungsindex als Luft. Dadurch wird ein geringerer Teil des Lichtes, das von der Halbleiterschichtenfolge 1 kommt und auf die
Auskoppelstruktur 15 trifft, in die Halbleiterschichtenfolge 1 zurückreflektiert. Der Verguss erhöht somit die Auskoppeleffizienz des Halbleiterchips.
In Figur 4 sind die Auskoppeleffizienzen E für dielektrische Schichten 21 mit Brechungsindizes im Bereich von 1 ≤ n ≤ 2 aufgetragen. Zusätzlich zeigt eine senkrechte Linie 93 den Brechungsindex von Siliziumdioxid an.
Bei beiden Ausführungsformen 91, 92 steigt die
Auskoppeleffizienz E in Richtung eines niedrigeren Brechungsindex n kontinuierlich an. Die Auskoppeleffizienz E des Halbleiterchips mit Epoxydharzverguss 92 liegt dabei im gesamten Bereich deutlich über der des von Luft umgebenen Halbleiterchips 91. Insgesamt zeigt die Simulation, dass sich in Richtung niedrigerer Brechungsindizes die Auskoppeleffizienz E erhöht. Dies lässt erwarten, dass bei Brechungsindizes n < 1 die Auskoppeleffizienz weiter ansteigt .
Die Figuren 5A, 5B und 5C zeigen verschiedene dielektrische Materialien, bei denen sich der Brechungsindex jeweils periodisch ändert. Dabei wechseln sich Bereiche mit hohem Brechungsindex 100 mit Bereichen mit niedrigem Brechungsindex 101 ab.
Figur 5A zeigt schematisch einen ID photonischen Kristall, bei dem sich der Brechungsindex in einer Dimension ändert. Es wechseln sich Schichten mit hohem Brechungsindex 100 und Schichten mit niedrigerem Brechungsindex 101 ab. Dies entspricht dem Aufbau eines Bragg-Spiegels.
Figur 5B zeigt schematisch einen 2D photonischen Kristall, bei dem sich der Brechungsindex in zwei Dimensionen ändert.
Figur 5C zeigt schematisch einen 3D photonischen Kristall, der eine Brechungsindexmodulation in drei verschiedenen Raumrichtungen aufweist. Mittels eines 3D photonischen Kristalls kann eine Totalreflexion des Lichts erreicht werden, die unabhängig vom Einfallswinkel ist. Die Perioden a, b und c des 3D photonischen Kristalls liegen dabei bei zirka einem Viertel der Wellenlänge des zu reflektierenden Lichtes. Um eine volle photonische Bandlücke zu erhalten, wird ein Grundmaterial mit einem Brechungsindex n > 2,6 verwendet. Ein geeignetes Material ist beispielsweise Silizium mit einem Brechungsindex von n = 3,5.
Figur 5D zeigt im Liniendiagramm die photonische Bandstruktur 102 eines 3D photonischen Kristalls. Dabei sind die normierten Frequenzen c/λ gegen die Blochvektoren aufgetragen. In Figur 5D ist eine photonische Stoppbande 103 in einem bestimmten Wellenlängenbereich zu sehen. Licht einer Wellenlänge innerhalb der Stoppbande 103 wird einfallswinkelunabhängig und verlustfrei totalreflektiert. Die Lage der Stoppbande 103 hängt von der Art der Einheitszelle der periodischen Struktur ab und wird vorzugsweise auf die im Halbleiterchip erzeugte Strahlung abgestimmt. Bei einer derart idealen Totalreflexion kann auf zusätzliche Bragg-Spiegel oder metallische Spiegel verzichtet werden.
Figur 6A zeigt im Querschnitt ein Ausführungsbeispiel für einen Halbleiterchip, bei dem die Spiegelstruktur 21 eine low- index Schicht 211, einen Bragg-Spiegel 212 und einen metallischen Spiegel 22 umfasst. Zusätzlich ist schematisch die Reflexion von Licht an den verschiedenen Schichten skizziert.
In der aktiven Zone 11 wird Licht 61, 62, 63 erzeugt, das unter verschiedenen Einfallswinkeln αi, α2, α3 auf die
Spiegelschicht 2 treffen kann. Ist der Einfallswinkel größer als der eingezeichnete kritische Winkel αc, so wird ein Großteil des Lichts an der Grenzfläche der Halbleiterschichtenfolge 2 und der low- index Schicht 211 totalreflektiert. Dies ist für Licht 61 mit einem
Einfallswinkel αi > αc der Fall. Ist der Einfallswinkel kleiner als der kritische Winkel αc, dringt ein Teil 62, 63 des Lichtes in die Schicht 211 ein und trifft anschließend mit Winkeln α2' , α3 ' auf den Bragg-Spiegel 212. Bei einem hinreichend kleinen Winkel α2' wird ein Großteil des Lichtes 62 vom Bragg-Spiegel 212 reflektiert. Für einen größeren Winkel α3 ' ist das Reflexionsvermögen des Bragg-Spiegels 212 deutlich geringer. Ein Teil des Lichtes 63 passiert den Bragg-Spiegel, trifft auf den metallischen Spiegel 22 und kann von diesem zurück reflektiert werden.
Bei einer derartigen Spiegelstruktur wird der Anteil des Lichtes, der auf den metallischen Spiegel trifft, minimiert. Da der metallische Spiegel die Schicht in der Spiegelstruktur mit dem höchsten Absorptionsvermögen darstellt, wird dadurch die Reflektivität der gesamten Spiegelstruktur optimiert.
Für Halbleiterchips mit unterschiedlichen Spiegelstrukturen wurden die Reflektivitäten R bei verschiedenen Einfallswinkeln α des Lichtes berechnet. In den Figuren 6B, 6C, 6D und 6E sind die jeweiligen Spiegelstrukturen skizziert. Die Halbleiterschichtenfolgen 1 basieren jeweils auf Galliumnitrid. Die Wellenlänge des in der aktiven Zone erzeugten Lichtes λ beträgt 460 nm.
Figur 6B zeigt eine Halbleiterschichtenfolge 1 mit einem rein metallischen Spiegel 22 aus Silber.
In Figur 6C umfasst die Spiegelschicht eine low-k Schicht 211 aus Siliziumdioxid und einen metallischen Spiegel 22 aus Silber. Die low-k Schicht 211 ist 700 nm dick und weist einen Brechungsindex von n = 1,1 auf.
Der in Figur 6D dargestellte Halbleiterchip umfasst eine TCO- Schicht 14 aus Indiumzinnoxid, eine low-k Schicht 211 aus Siliziumdioxid und einen metallischen Spiegel 22 aus Silber. Die low-k Schicht 211 ist wie die entsprechende Schicht 211 in Figur 6C ausgeführt. Die TCO-Schicht 14 ist
50 nm dick und weist einen Brechungsindex von n = 2,1 mit einem Imaginärteil von K = 0,02 auf. In Figur 6E ist ein Halbleiterchip skizziert, bei dem die Spiegelstruktur eine low-k Schicht 211 aus Siliziumdioxid, einen Bragg-Spiegel 212 und einen metallischen Spiegel 22 aus Silber umfasst. Die low-k Schicht 211 ist wie die entsprechende Schicht 211 in Figur 6C ausgeführt. Der Bragg- Spiegel 212 setzt sich aus mindestens vier Schichtpaaren mit je einer 48,7 nm dicken TiC>2 -Schicht mit einem Brechungsindex n = 2,6 und einer 97,7 nm dicken Siθ2~Schicht mit einem Brechungsindex n = 1,46 zusammen.
In Figur 6F sind die Reflektivitäten R der Spiegelstrukturen gemäß den Figuren 6B, 6C, 6D und 6E gegen den Einfallswinkel α des Lichtes aufgetragen. Der Einfallswinkel α, unter dem das Licht auf die Spiegelstruktur 2 trifft, liegt im Bereich von 0 bis 90° .
Für den in Figur 6B gezeigten rein metallischen Spiegel ist bei einem Einfallswinkel α = 0° die ermittelte Reflektivität 71 geringer als 96 %. In Richtung größerer Einfallswinkel steigt sie kontinuierlich an und erreicht bei 90° einen Wert von annähernd 100 %.
Für die Spiegelstruktur gemäß Figur 6C schwankt bei Einfallswinkeln α unter 30° die Reflektivität 72 stark bei Werten zwischen 93 % und 99 %. Bei Einfallswinkeln α > 30° beträgt die Reflektivität annähernd 100 %.
Für die Spiegelstruktur gemäß Figur 6D schwankt die
Reflektivität 73 bei Einfallswinkeln unter 60° stark bei Werten unter 94 %. Die im Vergleich zu den anderen
Spiegelstrukturen stark verminderte Reflektivität kann im Wesentlichen auf die Absorption des Lichtes in der TCO- Schicht 14 zurückgeführt werden. Für die Spiegelstruktur gemäß Figur 6 E ergeben sich bei Einfallswinkeln α zwischen 0° und 30° Reflektivitäten 74 im Bereich von 99 % bis 100 %. Bei Einfallswinkeln α > 30° ist die low-k Schicht 211 absolut reflektierend und führt zu einer Reflektivität von 100 %.
Aus Figur 6F geht hervor, dass es für die in den Figuren 6B, 6C und 6D gezeigten Spiegelstrukturen jeweils Einfallswinkelbereiche gibt, in denen die Reflektivität unter 96 % liegt. Nur für die in Figur 6E gezeigte Spiegelstruktur, die eine low-k Schicht 211, einen Bragg-Spiegel 212 und einen metallischen Spiegel 22 umfasst, ergibt sich für jeden Einfallswinkel eine Reflektivität von deutlich über 96 %.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldungen 102007057676.7 und 102008005332.5, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen. Dies beinhaltet insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiterchip mit einer Halbleiterschichtenfolge (1), die eine zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung vorgesehene aktive Schicht (11) aufweist, und mit einer Spiegelstruktur (2), die eine dielektrische Schichtstruktur (21) umfasst, wobei
- die Spiegelstruktur (2) mindestens 96 % des auf sie treffenden, in der aktiven Zone (11) erzeugten Lichtes reflektiert, unabhängig vom Winkel α, unter dem das Licht auf die Spiegelstruktur (2) trifft.
2. Halbleiterchip nach Anspruch 1,
- bei dem in der aktiven Zone (11) Licht im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 550 nm erzeugt wird.
3. Halbleiterchip nach Anspruch 1 oder 2,
- bei dem die Halbleiterschichtenfolge (1) auf der Basis von GaN gebildet ist.
4. Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
- bei dem die dielektrische Schichtstruktur (21) wenigstens eine Schicht (211, 212) umfasst, die ein low- index Material mit einen Brechungsindex n < 1,38 enthält.
5. Halbleiterchip nach Anspruch 4 ,
- bei dem das low- index Material auf einem low-k oder ultra low-k Material basiert.
6. Halbleiterchip nach Anspruch 5,
- bei dem das low-k oder ultra low-k Material ein Siliziumoxid enthält.
7. Halbleiterchip nach Anspruch 5 oder 6,
- bei dem das low-k oder ultra low-k Material mit einem Gas gefüllte Poren umfasst, deren Ausdehnungen geringer als 8 nm sind.
8. Halbleiterchip nach Anspruch 7,
- bei dem die Poren des low-k oder ultra low-k Materials Ausdehnungen von weniger als 3 nm aufweisen.
9. Halbleiterchip nach Anspruch 4,
- bei dem das low- index Material ein Gas, insbesondere Luft, ist und bei der die Halbleiterschichtenfolge (1) durch ein Raster aus Durchkontaktierungen (43) mit weiteren Schichten (211, 212, 22) der Spiegelstruktur (2) oder einem Träger (3) verbunden ist.
10. Halbleiterchip nach Anspruch 4,
- bei dem das low- index Material einen Brechungsindex n < 1 aufweist.
11. Halbleiterchip nach Anspruch 10,
- bei dem die dielektrische Schicht (211, 212) mit einem Brechungsindex n < 1 auf einem 2D photonischen Kristall basiert .
12. Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
- bei dem wenigstens eine der Schichten (211, 212) der dielektrischen Schichtstruktur (21) einen 3D photonischen Kristall enthält, der eine Brechungsindexmodulation in drei verschiedenen Raumrichtungen aufweist.
13. Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 4 bis 12,
- bei dem die dielektrische Schichtstruktur (21) einen Bragg-Spiegel umfasst .
14. Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
- bei dem die Spiegelstruktur (2) neben der dielektrischen Schichtstruktur (21) eine metallische Spiegelschicht (22) umfasst, die die Spiegelstruktur (2) in Richtung des Trägers (3) abschließt.
15. Halbleiterchip nach einem der vorherigen Ansprüche, - bei dem die Halbleiterschichtenfolge (1) durch ein Raster aus Durchkontaktierungen (43) mit weiteren Schichten (211, 212, 22) der Spiegelstruktur (2) oder einem Träger (3) verbunden ist, wobei die
Durchkontaktierungen (43) an ihren Seitenflächen von Luft umgeben sind.
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