WO2009155899A1 - Radiation-emitting semiconductor chip - Google Patents

Radiation-emitting semiconductor chip Download PDF

Info

Publication number
WO2009155899A1
WO2009155899A1 PCT/DE2009/000856 DE2009000856W WO2009155899A1 WO 2009155899 A1 WO2009155899 A1 WO 2009155899A1 DE 2009000856 W DE2009000856 W DE 2009000856W WO 2009155899 A1 WO2009155899 A1 WO 2009155899A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
semiconductor chip
photonic crystal
chip according
active layer
Prior art date
Application number
PCT/DE2009/000856
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Krister Bergenek
Ralph Wirth
Norbert Linder
Christopher Wiesmann
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osram Opto Semiconductors Gmbh filed Critical Osram Opto Semiconductors Gmbh
Publication of WO2009155899A1 publication Critical patent/WO2009155899A1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor 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
    • H01L33/02Semiconductor 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 semiconductor bodies
    • H01L33/20Semiconductor 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 semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate
    • H01L33/22Roughened surfaces, e.g. at the interface between epitaxial layers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2933/00Details relating to devices covered by the group H01L33/00 but not provided for in its subgroups
    • H01L2933/0083Periodic patterns for optical field-shaping in or on the semiconductor body or semiconductor body package, e.g. photonic bandgap structures
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor 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
    • H01L33/44Semiconductor 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
    • H01L33/46Reflective coating, e.g. dielectric Bragg reflector
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10KORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K50/00Organic light-emitting devices
    • H10K50/80Constructional details
    • H10K50/85Arrangements for extracting light from the devices
    • H10K50/854Arrangements for extracting light from the devices comprising scattering means

Definitions

  • the present application relates to a radiation-emitting semiconductor chip.
  • a radiation-emitting semiconductor chip is specified.
  • the semiconductor chip has a front side, which is provided for radiation decoupling. In the direction from a rear side opposite the front side to the front side, the semiconductor chip initially has an active layer which is provided for the emission of electromagnetic radiation.
  • the active layer has in particular a sequence of inorganic semiconductor layers, in particular it has a active zone between an n-type layer and a p-type layer.
  • the active layer is based on an Ill / V compound semiconductor material.
  • the active layer may also contain organic material, such as a polymer or a small molecule material ("small molecules").
  • the semiconductor chip is an organic light emitting diode (OLED, organic light emitting diode).
  • III / V compound semiconductor material in the present context means that the active layer or at least one semiconductor layer of the active layer at least one element of the third main group, such as B, Al, Ga, In, and an element of the fifth main group, such as N, P, As.
  • III / V compound semiconductor material includes the group of binary, ternary or quaternary compounds containing at least one element from the third main group and at least one element from the fifth main group, for example nitride and phosphide compound semiconductors , Such a binary, ternary or quaternary compound may also have, for example, one or more dopants and additional constituents.
  • nitride compound semiconductor material in the present context means that the active layer or at least a part thereof, particularly preferably at least the active zone, comprises or consists of a nitride compound semiconductor material, preferably Al n Ga m Ini_ n _ m N, where O ⁇ n ⁇ l, O ⁇ m ⁇ l and n + m ⁇ 1.
  • this material does not necessarily have a mathematically exact composition according to the above formula. Rather, it may, for example, one or more dopants and additional Have constituents.
  • 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.
  • based on phosphide compound semiconductor material means that the active layer or at least a part thereof, more preferably at least the active zone, preferably Al n Ga m In n _ _ m P or As n Ga m In ⁇ _ n m P, where O ⁇ n ⁇ l, O ⁇ m ⁇ l and n + m ⁇ 1. In this case, this material does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to the above formula.
  • the above formula contains only the essential constituents of the crystal lattice (Al or As, Ga, In, P), even if these may be partially replaced by small amounts of other substances.
  • phosphide and nitride semiconductor materials are GaN, InGaAlP and AlGaAs, the indices (n, m) being omitted for simplicity.
  • the active layer is followed in the direction from the back to the front by a mixing layer, which contains scattering elements for scattering the electromagnetic radiation.
  • the blending layer is followed in this direction by a transition layer having a refractive index which is smaller than the refractive index of the active layer.
  • the refractive index of the transition layer is also greater than 1, ie greater than the refractive index of air.
  • the refractive index of the transition layer is smaller than the refractive index of that semiconductor layer of the inorganic semiconductor layer sequence of the active layer, which faces the transition layer.
  • the refractive index of the transition layer smaller than an average value of refractive indices of the inorganic semiconductor layers of the active layer.
  • the transition layer is followed by a first photonic crystal in the direction from the back to the front.
  • the photonic crystal has a one-dimensional or two-dimensional lateral structuring.
  • a photonic crystal with a three-dimensional structuring is conceivable.
  • a photonic crystal which has a one-dimensional or two-dimensional lateral structuring is understood here to mean a photonic crystal which has structural units which, in plan view, face the front side of the semiconductor chip in one direction (one-dimensional lateral structuring) or in two different directions (two-dimensional lateral structures) Structuring) follow each other laterally.
  • Structural units in the present context are the basic elements which define the lateral structuring, for example individual webs, grooves, protrusions or recesses.
  • the first photonic crystal which has a one- or two-dimensional lateral structuring, in particular has no successive structural units.
  • the structural units are preferably arranged in a single layer.
  • structural units of the photonic crystal follow one another in three different spatial directions in a three-dimensional structuring.
  • the photonic crystal has, for example, grooves and / or webs which in particular run parallel or approximately parallel.
  • elevations and depressions are referred to, which have a dimension in plan view of the front in the direction in which they follow one another, which is less than in a direction perpendicular thereto.
  • the extension of the webs is at least twice as large, preferably at least five times as large as in the direction in which the webs follow one another.
  • the webs and / or grooves extend essentially over an entire length of the semiconductor chip.
  • the structural units can be arranged, for example, at grid points of an imaginary two-dimensional grid.
  • the grid may be a rectangular or hexagonal grid.
  • the structural units are, for example, projections, such as columns or nubs, and / or recesses.
  • the structural units preferably have a polygonal or round, in particular elliptical or circular, cross section in plan view of the front side.
  • the one- or two-dimensional lateral structuring may be periodic. Even a quasiperiodic, that is an ordered, non-periodic structuring is conceivable. As quasiperiodische structuring, for example Archimedean lattice in question. In one embodiment, the structuring is designed as a honeycomb grid.
  • Archimedean lattices are surface-filling arrangements of polygons in which all lattice sites are equivalent.
  • various types of polygons may be used for a full-surface array, such as triangles, squares, hexagons, and / or octagons.
  • the (imaginary) polygons each contain a plurality of structural units.
  • disordered structurings are also suitable for the one- or two-dimensional lateral structuring of the first photonic crystal, in which each laterally adjacent structural units have characteristic spacings. That laterally adjacent structural units have characteristic distances in the present context means that the pair distribution function, which describes the lateral distances of the adjacent structural units, has a maximum at a certain distance or several specific distances.
  • guided modes part of the electromagnetic radiation emitted by the active layer is emitted in so-called guided modes.
  • the guided modes propagate in the active layer, similar to a waveguide, but do not leave the active layer.
  • Such guided modes can be assigned a modal refractive index n moc j.
  • n is the refractive index of the material in which the fashion propagates.
  • n is the refractive index of the material in which the fashion propagates.
  • a photonic crystal is suitable for directionally coupling out guided modes from the semiconductor chip when the modal refractive index of the guided modes is within a certain range ⁇ np C.
  • ⁇ np C 0.8
  • the refractive index of the active layer is usually comparatively high. For example, it is about 2.5 for GaN and about 3.4 for AlGaInP. If the photonic crystal is applied directly to a semiconductor layer of the active layer or to a layer with a comparably large refractive index, there is a risk that a comparatively large proportion of the guided modes will not be coupled out of the semiconductor chip.
  • the photonic crystal is advantageously deposited on a transition layer having a relatively low refractive index.
  • the refractive index of the transition layer is less than or equal to 2.5, preferably less than or equal to 2.
  • the refractive index of the transition layer has a value between 1.4 and 1.9, in particular between 1.4 and 1.8, for example, between 1.7 and 1.8, with the boundaries each included.
  • the modal refractive indices n mo ( j of the guided modes are reduced to be less than or equal to the refractive index of the transition layer in the transition from the active layer to the transition layer by means of the intermixing layer
  • the range ⁇ n mc of the modal indices of refraction n mO ( j, which propagate in the transition layer are then advantageously approximately equal, and it can be achieved by means of the scattering at the scattering elements of the intermixing layer that a particularly large fraction In this way, the risk of total reflection of guided modes at the transition between the active layer and the transition layer is particularly low.
  • the present application advantageously takes advantage of the finding that by means of the intermixing layer and the transition layer a low-loss mode compression of the guided modes can be achieved in a small range of modal refractive indices. In this way, a particularly large portion of the guided modes are coupled out of the semiconductor chip by means of the first photonic crystal.
  • At least 30 percent, preferably at least 35 percent of the electromagnetic radiation coupled out from the front side is at an angle of less than or equal to 30 ° to the surface normal of a main extension plane of the semiconductor chip emitted.
  • a Lambertian emitter emits only about 25 percent of the electromagnetic radiation in this angular range.
  • the proportion of the electromagnetic radiation emitted at an angle of less than or equal to 30 ° to the surface normal of the main plane of extension is thus advantageously increased by about 20% or more, preferably by about 40% or more.
  • the active layer adjoins the intermixing layer and / or the intermixing layer to the transition layer and / or the transition layer to the first photonic crystal.
  • the active layer, the intermixing layer, the transition layer and the first photonic crystal are formed by directly successive layers of the semiconductor chip.
  • the scattering elements is formed by defects of the mixing layer.
  • the intermixing layer has a large density of defects.
  • the mixing layer is a buffer layer.
  • the defects are, in particular, lattice defects of a crystalline material, preferably a semiconductor material, which is contained in the intermixing layer or of which the intermixing layer consists.
  • the intermixing layer contains the same semiconductor material as the active layer.
  • a "large density of defects” means that the defect density, ie in particular in particular the number of lattice defects per volume, in the intermixing layer is at least twice as large, preferably at least five times as large and in particular at least ten times as large as in one of the intermixing layer facing and in particular adjacent to this semiconductor layer of the active layer.
  • the defect density was in the mixing layer has a value greater than or equal to lO -'- S cm "- preferably ⁇ of greater than or equal to 10 ⁇ 6 cm ⁇ 3, for example, it has a value of 1 () 17 cm" 3 or more.
  • a buffer layer is in particular a semiconductor layer directly adjacent to a growth substrate. It is, for example, applied to the growth substrate in front of semiconductor layers of an active layer of the semiconductor chip produced epitaxially on the growth substrate. For example, it serves to adapt a lattice constant of the growth substrate to a lattice constant of a semiconductor layer of the active layer.
  • a buffer layer advantageously has a large density of lattice defects, which can represent at least part of the scattering elements.
  • the scattering elements is formed by a structured interface.
  • the interface can be structured regularly or irregularly. For example, it is an interface between the active layer and the transition layer.
  • the intermixing layer has scattering elements whose lateral extent has a value which is greater than or equal to 0.5 times a wavelength of an emission maximum of the electromagnetic radiation which is emitted by the active layer during operation of the semiconductor chip. Preferably, the lateral extent less than or equal to five times the wavelength of the emission maximum.
  • the term "wavelength" in the context of the present application is to be understood as meaning the vacuum wavelength.
  • At least a part of the scattering elements is formed by a second photonic crystal.
  • a characteristic feature size of the first photonic crystal is larger than a corresponding feature feature size of the second photonic crystal.
  • the characteristic structure size may be, for example, a lattice constant or the lateral spacing of neighboring structural units of the respective photonic crystal.
  • the characteristic structure size of the first photonic crystal is greater by a factor of 1.5 or more, in particular by a factor of 2 or more, than the corresponding characteristic structure size of the second photonic crystal. In this way, it is advantageously possible to achieve a particularly efficient compression of the modal refractive indices of the modes conducted in the active layer into a mode range which is decoupled from the first photonic crystal.
  • the characteristic structure size of the first photonic crystal is smaller than a wavelength of an emission maximum of the electromagnetic radiation emitted by the active layer during operation of the semiconductor chip.
  • the feature size is less than or equal to 0.75 times the wavelength.
  • a characteristic structure size for example a lattice constant, of the first photonic crystal greater than the wavelength of the emission maximum of the electromagnetic radiation emitted by the active layer multiplied by the inverse of the refractive index of the transition layer.
  • the characteristic feature size is preferably greater than or equal to 0.5 times and in particular greater than or equal to 0.65 times the wavelength.
  • the characteristic feature size of the second photonic crystal in one embodiment has a value that is between that of the emission maximum wavelength multiplied by the inverse of the transition layer refractive index and the emission maximum wavelength value multiplied by the inverse of the refractive index of the active layer.
  • the characteristic feature size has a value between 0.28 and 0.7 times the emission maximum wavelength, with the limits included. Investigations by the inventors have shown that with such structure sizes a particularly efficient decoupling can be achieved.
  • the active layer is preceded by a rear reflector layer in the direction from the rear side to the front side.
  • a layer of a transparent, conductive oxide is arranged between the rear reflector layer and the active layer.
  • a lateral reflector layer is applied at least on a partial region of one or more side surfaces of the semiconductor chip. In the case of a semiconductor chip with a lateral reflector layer, the proportion of the electromagnetic radiation which is coupled out by the side surfaces is particularly low. In this way, a particularly large portion of the electromagnetic radiation directed by means of the first photonic crystal is coupled out of the semiconductor chip. So a particularly well-directed radiation can be achieved.
  • the transition layer is formed by a growth substrate or a thinned residue of the growth substrate.
  • the transition layer comprises a silicon oxide, a silicon nitride, titanium dioxide and / or a transparent, conductive oxide such as indium tin oxide (ITO) and / or ZnO or consists of at least one of these materials.
  • the transition layer comprises a transparent conductive oxide having a refractive index of less than or equal to 2, for example a refractive index of about 1.9.
  • a preferred layer thickness of the transition layer has a value between 1 ⁇ m and 10 ⁇ m, including the limits. Investigations by the inventors have shown that such a layer thickness has an advantageous effect with respect to the propagation and the absorption of the guided modes.
  • a refractive index of the transition layer is less than or equal to 2 in one embodiment.
  • the semiconductor chip is free of a growth substrate.
  • a growth substrate optionally used to grow the active layer is removed from the active layer or at least heavily thinned, in particular, it is thinned so that it is not self-supporting on its own or together with the active layer alone strongly thinned growth substrate is particularly unsuitable as such for the function of a growth substrate.
  • the semiconductor chip is a so-called thin-film light-emitting diode chip.
  • the thin-film light-emitting diode chip has a carrier element which is not the growth substrate on which the active layer has been epitaxially grown, but a separate carrier element which has subsequently been attached to the active layer;
  • a reflective layer is applied or formed which reflects back at least part of the electromagnetic radiation generated in the semiconductor layer sequence;
  • the active layer has a thickness in the range of 20 ⁇ m or less, in particular in the range of 10 ⁇ m or less;
  • the thin-film light-emitting diode chip is free of a growth substrate
  • the active layer contains at least one semiconductor layer with at least one surface which has a mixing structure which, in the ideal case, results in an approximately ergo-elastic distribution of the light in the semiconductor layers. result, that is, it has the most ergodisch stochastic scattering behavior; If desired, this semiconductor layer may optionally be contained in the mixing layer.
  • a basic principle of a thin-film light-emitting diode chip is described, for example, in the publication I. Schnitzer et al. , Appl. Phys. Lett. 63 (16) 18 October 1993, pages 2174 - 2176, the disclosure of which is hereby incorporated by reference.
  • Examples of thin-film light-emitting diode chips are described in the publications EP 0905797 A2 and WO 02/13281 A1, the disclosure content of which is hereby also incorporated by reference.
  • the semiconductor chip according to the present application can represent an efficient thin-film light-emitting diode chip with a directional emission characteristic.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through an optoelectronic semiconductor chip according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic cross section through an optoelectronic semiconductor chip according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic cross section through an optoelectronic semiconductor chip according to a third exemplary embodiment
  • FIG. 4A shows a schematic plan view of a front side of the semiconductor chip according to FIG. 1,
  • FIG. 4B shows a schematic plan view of the front side of a semiconductor chip according to a variant of the first exemplary embodiment
  • FIG. 4C shows a schematic plan view of the front side of a semiconductor chip according to a second variant of the first exemplary embodiment.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of an optoelectronic semiconductor chip.
  • the semiconductor chip is provided for coupling electromagnetic radiation from a front side 7. It has an active layer 1 with a sequence of semiconductor layers.
  • the sequence of semiconductor layers includes an active region 11 between an n-type layer 13 and a p-type layer 12.
  • the n-type layer 13 faces the front side 7.
  • the P-type layer 12 facing the front side 7 and the n-type layer 13 may be disposed on the side facing away from the front side 7 of the active zone 11.
  • the active zone 11 preferably contains a pn junction, a double heterostructure, a single quantum well (SQW, single quantum well) or, more preferably, a multiple quantum well structure (MQW, multi quantum well) for generating radiation.
  • the term quantum well structure unfolds no significance with regard to the dimensionality of the quantization. It thus includes u.a. Quantum wells, quantum wires and quantum dots and any combination of these structures. Examples of MQW structures are described in the publications WO 01/39282, US 5,831,277, US 6,172,382 Bl and US 5,684,309, the disclosure content of which is hereby incorporated by reference.
  • the first active layer 1 is followed by a layer 6 made of a transparent, conductive oxide such as ITO (indium-tin oxide) and subsequently a rear-side reflector layer 5 comprising, for example, a metal such as Ag contains or consists of.
  • a transparent, conductive oxide such as ITO (indium-tin oxide)
  • a rear-side reflector layer 5 comprising, for example, a metal such as Ag contains or consists of.
  • the active layer 1 is followed by a mixing layer 2.
  • a transition layer 3 is arranged in the direction from the rear side 8 to the front side 7.
  • a first photonic crystal 4 is applied or formed.
  • the transition layer 3 in the present case is a layer comprising sapphire.
  • the transition layer 3 in the present case is a thinned residue of a growth substrate.
  • the transition layer 3 has a refractive index of less than or equal to 1.8, in particular between 1.76 and 1.78. Its layer thickness is for example about 10 ⁇ m.
  • the intermixing layer 2 is a gallium nitride layer which is applied to the growth substrate 3 as a buffer layer. It serves to adapt a lattice constant of the transition layer 3 to a lattice constant of the n-conductive layer 13 of the active layer 1.
  • the active layer 1 is deposited on the buffer layer 2 by means of epitaxial growth and in particular also contains GaN and / or AlInGaN.
  • the refractive index of the intermixing layer 2 and / or the active layer 1 has in particular a value of about 2.5.
  • the intermixing layer 2 has a large density of lattice defects 21.
  • the lattice defects 21 form scattering elements, on which electromagnetic radiation emitted by the active zone 11 in the direction of the front side 7 is scattered.
  • the rear reflector layer 5 By means of the rear reflector layer 5, a portion of the radiation emitted by the active zone 11 in the direction of the rear side 8 is reflected back in the direction of the front side 7. In this way, a particularly large portion of the electromagnetic radiation on the front side 7 is coupled out through the first photonic crystal 4.
  • the first photonic crystal 4 is formed, for example, from a front-side edge region of the transition layer 3.
  • a structuring of the front-side main surface of the transition layer 3 represents the first photonic crystal 4.
  • the structuring is produced, for example, by means of an etching process.
  • the photonic crystal 4 has a plurality of structural units 41.
  • the structural units follow each other laterally in at least one spatial direction.
  • the structural units 41 can be arranged periodically, quasi-periodically or not periodically. In any case, adjacent structural units 41 have a characteristic lateral distance Dl from each other. If the structural units 41 are laterally adjacent to one another in two mutually different spatial directions, it is also possible that there are two different characteristic distances, one in each of the two spatial directions, which are different from one another.
  • the first photonic crystal in the present exemplary embodiment has an extension between 150 nm and 300 nm inclusive.
  • the first photonic crystal 4 has exactly one layer of structural units 41 in this direction.
  • the structural units 41 in the direction from the back 8 to the front 7 are preferably not stacked.
  • the structural units 41 each preferably have an extent of between 150 nm and 300 nm inclusive in the direction from the rear side 8 to the front side 7.
  • the first photonic crystal 4 has a two-dimensional lateral structuring.
  • FIG. 4A this is shown in a schematic plan view of the front side 7.
  • the structural units 41 periodically follow one another in plan view of the front side 7 in two mutually perpendicular directions.
  • adjacent structural units 41 have the same distance D1 from each other along each of these two directions.
  • the distance D1 in the present exemplary embodiment has a value which corresponds to a wavelength of an emission maximum of the electromagnetic radiation emitted by the active zone 112, multiplied by the reciprocal of 1.4 equivalent.
  • FIG. 4A an electrical contact layer 9 omitted in FIG. 1 for the sake of clarity is shown.
  • the electrical contact layer 9 has in particular a metallic material.
  • the electrical contact layer 9 may be a bonding pad.
  • the electrical contact layer 9 can be applied via structural units 41 of the first photonic crystal 4.
  • the surface of the front side 7 covered by the bonding pad 9 may also be free of structural units 41 of the first photonic crystal.
  • FIG. 4B shows a variant of the first exemplary embodiment in a schematic plan view of the front side 7 of the semiconductor chip.
  • structural units 41 of the first photonic crystal follow one another only in one spatial direction. In the present case, this is a one-dimensional lateral structuring.
  • the photonic crystal in this variant for example, webs 41 as structural units.
  • the webs have in the direction in which they follow each other, an extension, the For example, in this direction, the extension of the webs 41 is at least twice as large, preferably at least five times as large as in the direction in which the webs 41 follow one another.
  • the webs extend substantially over an entire edge length of the semiconductor chip.
  • FIG. 4C shows a further variant of the first photonic crystal 4 in a schematic plan view of the front side 7 of the radiation-emitting semiconductor chip.
  • clusters 42 of structural units 41 are arranged on the front side 7 of the radiation-emitting semiconductor chip and form the first photonic crystal 4.
  • the clusters 42 are arranged periodically, for example. By contrast, there is no periodicity for the individual structural units 41 in the present case. In the present case, therefore, there is an ordered, non-periodic structure, ie a quasiperiodic two-dimensional lateral structuring of the first photonic crystal 4. Also other quasiperiodische structuring, such as Archimedean lattice of clusters 42 of structural units 41, in particular from different types of clusters 42, for example N-angular clusters and M-angular clusters with N ⁇ M are conceivable.
  • a proportion of about 35% (based on the light intensity) of the electromagnetic radiation decoupled from the front side 7 during operation is present at an angle ⁇ to a surface normal 100 of a main extension plane of the semiconductor chip having a value of 0 ° ⁇ ⁇ ⁇ 30 °.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a radiation-emitting semiconductor chip in a schematic cross-section.
  • the second embodiment differs from the first embodiment initially in that the mixing layer 2 is not formed by a buffer layer. Rather, in the present exemplary embodiment, the mixing layer 2 contains a main surface of the active layer 1 facing the front side, which is provided with a structuring 20.
  • the growth substrate on which the semiconductor layers of the active layer 1 are epitaxially grown is completely removed in the present embodiment.
  • the growth substrate or, preferably, a thinned residue of the growth substrate may be contained in the active layer 1.
  • the growth substrate or the thinned residue of the growth substrate includes, for example, the front-side major surface having the pattern 20.
  • the structuring 20 contains a plurality of basic units 21.
  • the structuring 20 in the present case is an irregular structuring.
  • basic units 21 of the structuring 20 scattering elements are formed which scatter electromagnetic radiation emitted by the active zone 11.
  • the basic units 21 have a lateral extent, which is in particular greater than or equal to a quarter of the wavelength of the emission maximum of the electromagnetic radiation emitted by the active zone 11.
  • an irregular structuring 20 has in particular a Average value of the lateral extents of the basic units 21 such a value. In this way, efficient scattering of the electromagnetic radiation emitted by the active zone 11 can be achieved.
  • a transition layer 3 which comprises or consists of silicon dioxide is applied to the structuring 20 in the second exemplary embodiment.
  • the transition layer here has a refractive index of less than or equal to 1.5, for example about 1.47.
  • the active layer may comprise, for example, AlInGaN having a refractive index of about 2.5 - as in the first embodiment - or AlGaInP having a refractive index of about 3.4.
  • the first photonic crystal 4 can be produced in the silicon dioxide layer 3 by means of an etching process, as in the first exemplary embodiment. Alternatively, it may also be applied to the silicon dioxide layer 3.
  • a lateral reflector layer 10 is applied to the flanks of the transition layer 3.
  • the lateral reflector layer 10 may be embodied, for example, as a dielectric mirror or as a metal layer.
  • FIG. 3 shows a schematic cross section through a radiation-emitting semiconductor chip according to a third exemplary embodiment.
  • the semiconductor chip according to the third embodiment differs from that of the second embodiment in that the scattering elements 21 of the mixing Layer 2 are formed by a second photonic crystal 20.
  • the second photonic crystal 20 may, for example, be applied to a semiconductor layer, such as the n-type layer 13, of the active layer 1. Alternatively, it may also be formed in a front edge region of the active layer 1.
  • the second photonic crystal 20 has structural units 21 which - in particular analogously to the first photonic crystal 4 - can follow one another in one or two spatial directions periodically, quasi-periodically or disorderly.
  • a characteristic structure size D2 of the second photonic crystal 20 is smaller than the corresponding characteristic structure size of the first photonic crystal 4.
  • a lateral distance D2 of the respectively adjacent structural units 21 of the second photonic crystal 20 is smaller than the lateral distance D1 of adjacent structural units 41 of the first photonic crystal Crystal 4.
  • the lateral distance of two structural units 21 of the second photonic crystal 20 is, for example, about half the distance Dl of two adjacent structural units 41 of the first photonic crystal 4.
  • the side reflector layer 10 is also pulled over the side surfaces of the intermixing layer 2 and the active layer 1 in the semiconductor chip according to the third embodiment.
  • the latter in the present case is preferably designed to be electrically insulating, for example as a dielectric mirror layer or, for example, has at least one dielectric layer facing the active layer 1.
  • the invention is not limited by the description based on the embodiments of these. Rather, it includes every new feature, as well as any combination of features, which in particular includes any combination of features in the claims, even if this feature or combination itself is not explicitly stated in the claims or exemplary embodiments.

Abstract

The invention relates to a radiation-emitting semiconductor chip having a front (7) which is provided for the coupling out of light. The radiation-emitting semiconductor chip comprises the following elements from the back (8), opposite the front (7), towards the front (7) in the indicated order: an active layer (1) which is designed for the emission of electromagnetic radiation; a mixing layer (2) which contains scattering elements (21) for scattering the electromagnetic radiation; a transition layer (3) which has a refractive index smaller than the refractive index of the active layer (1); and a first photonic crystal (4).

Description

Beschreibung description
Strahlungsemittierender HalbleiterchipRadiation-emitting semiconductor chip
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102008030751.3, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.This patent application claims the priority of German Patent Application 102008030751.3, the disclosure of which is hereby incorporated by reference.
Die vorliegende Anmeldung betrifft einen strahlungsemittie- renden Halbleiterchip.The present application relates to a radiation-emitting semiconductor chip.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, einen strah- lungsemittierenden Halbleiterchip anzugeben, der zur gerichteten Auskoppelung elektromagnetischer Strahlung mit einer besonders hohen Effizienz geeignet ist.It is an object of the present application to specify a radiation-emitting semiconductor chip which is suitable for the directed coupling out of electromagnetic radiation with a particularly high efficiency.
Diese Aufgabe wird durch einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Halbleiterchips sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Offenbarungsgehalt der Patentansprüche wird hiermit ausdrücklich durch Rückbezug in die Beschreibung aufgenommen.This object is achieved by a radiation-emitting semiconductor chip according to claim 1. Embodiments and further developments of the semiconductor chip are specified in the dependent claims. The disclosure of the claims is hereby expressly incorporated by reference into the description.
Es wird ein Strahlungsemittierender Halbleiterchip angegeben. Der Halbleiterchip weist eine Vorderseite auf, die zur Strahlungsauskopplung vorgesehen ist. In Richtung von einer der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite zur Vorderseite hin weist der Halbleiterchip zunächst eine aktive Schicht auf, die zur Emission von elektromagnetischer Strahlung vorgesehen ist.A radiation-emitting semiconductor chip is specified. The semiconductor chip has a front side, which is provided for radiation decoupling. In the direction from a rear side opposite the front side to the front side, the semiconductor chip initially has an active layer which is provided for the emission of electromagnetic radiation.
Die aktive Schicht weist insbesondere eine Folge von anorganischen Halbleiterschichten auf, insbesondere weist sie eine aktive Zone zwischen einer n-leitenden Schicht und einer p- leitenden Schicht auf. Bei einer Ausgestaltung basiert die aktive Schicht auf einem Ill/V-Verbindungshalbleitermaterial . Alternativ kann die aktive Schicht auch organisches Material, etwa ein Polymer oder ein niedermolekulares Material ("small molecules") enthalten. Dann stellt der Halbleiterchip eine organische Leuchtdiode (OLED, organic light emitting diode) dar.The active layer has in particular a sequence of inorganic semiconductor layers, in particular it has a active zone between an n-type layer and a p-type layer. In one embodiment, the active layer is based on an Ill / V compound semiconductor material. Alternatively, the active layer may also contain organic material, such as a polymer or a small molecule material ("small molecules"). Then, the semiconductor chip is an organic light emitting diode (OLED, organic light emitting diode).
"Basiert auf einem III/V-Verbindungs-Halbleitermaterial" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die aktive Schicht oder zumindest eine Halbleiterschicht der aktiven Schicht wenigstens ein Element aus der dritten Hauptgruppe, wie beispielsweise B, Al, Ga, In, und ein Element aus der fünften Hauptgruppe, wie beispielsweise N, P, As, auf. Insbesondere umfasst der Begriff "III/V-Verbindungs-Halbleitermaterial" die Gruppe der binären, ternären oder quaternären Verbindungen, die wenigstens ein Element aus der dritten Hauptgruppe und wenigstens ein Element aus der fünften Hauptgruppe enthalten, beispielsweise Nitrid- und Phosphid-Verbindungshalb- leiter. Eine solche binäre, ternäre oder quaternäre Verbindung kann zudem zum Beispiel ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen."Based on a III / V compound semiconductor material" in the present context means that the active layer or at least one semiconductor layer of the active layer at least one element of the third main group, such as B, Al, Ga, In, and an element of the fifth main group, such as N, P, As. In particular, the term "III / V compound semiconductor material" includes the group of binary, ternary or quaternary compounds containing at least one element from the third main group and at least one element from the fifth main group, for example nitride and phosphide compound semiconductors , Such a binary, ternary or quaternary compound may also have, for example, one or more dopants and additional constituents.
"Auf Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basierend" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die aktive Schicht oder zumindest ein Teil davon, besonders bevorzugt zumindest die aktive Zone, ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise AlnGamIni_n_mN aufweist oder aus diesem besteht, wobei O ≤ n ≤ l, O ≤ m ≤ l 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. Entsprechend bedeutet "auf Phosphid-Verbindungs- Halbleitermaterial basierend" in diesem Zusammenhang, dass die aktive Schicht oder zumindest ein Teil davon, besonders bevorzugt zumindest die aktive Zone, vorzugsweise AlnGamIn^_ n_mP oder AsnGamIn^_n_mP umfasst , wobei O ≤ n ≤ l , O ≤ m ≤ l und n+m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al bzw. As, Ga, In, P), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können. Beispiele für Phospid- und Nitrid-Halbleitermaterialien sind GaN, InGaAlP und AlGaAs, wobei die Indices (n, m) zur Vereinfachung weggelassen sind."Based on nitride compound semiconductor material" in the present context means that the active layer or at least a part thereof, particularly preferably at least the active zone, comprises or consists of a nitride compound semiconductor material, preferably Al n Ga m Ini_ n _ m N, where O ≦ n ≦ l, O ≦ m ≦ l and n + m ≦ 1. In this case, this material does not necessarily have a mathematically exact composition according to the above formula. Rather, it may, for example, one or more dopants and additional Have constituents. For the sake of simplicity, however, 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. Correspondingly, in this context "based on phosphide compound semiconductor material" means that the active layer or at least a part thereof, more preferably at least the active zone, preferably Al n Ga m In n _ _ m P or As n Ga m In ^ _ n _ m P, where O ≤ n ≤ l, O ≤ m ≤ l and n + m ≤ 1. In this case, this material does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to the above formula. Rather, it may have one or more dopants as well as additional ingredients. For the sake of simplicity, however, the above formula contains only the essential constituents of the crystal lattice (Al or As, Ga, In, P), even if these may be partially replaced by small amounts of other substances. Examples of phosphide and nitride semiconductor materials are GaN, InGaAlP and AlGaAs, the indices (n, m) being omitted for simplicity.
Der aktiven Schicht folgt in Richtung von der Rückseite zur Vorderseite hin eine Durchmischungsschicht nach, welche Streuelemente zur Streuung der elektromagnetischen Strahlung enthält. Der Durchmischungsschicht ist in dieser Richtung eine Übergangsschicht nachgeordnet, die einen Brechungsindex aufweist, der kleiner ist als der Brechungsindex der aktiven Schicht. Insbesondere ist der Brechungsindex der Übergangsschicht auch größer als 1, also größer als der Brechungsindex von Luft. Beispielsweise ist der Brechungsindex der Übergangsschicht kleiner als der Brechungsindex derjenigen Halbleiterschicht der anorganischen Halbleiterschichtenfolge der aktiven Schicht, welche der Übergangsschicht zugewandt ist. Insbesondere ist der Brechungsindex der Übergangsschicht kleiner als ein Mittelwert der Brechungsindices der anorganischen Halbleiterschichten der aktiven Schicht.The active layer is followed in the direction from the back to the front by a mixing layer, which contains scattering elements for scattering the electromagnetic radiation. The blending layer is followed in this direction by a transition layer having a refractive index which is smaller than the refractive index of the active layer. In particular, the refractive index of the transition layer is also greater than 1, ie greater than the refractive index of air. For example, the refractive index of the transition layer is smaller than the refractive index of that semiconductor layer of the inorganic semiconductor layer sequence of the active layer, which faces the transition layer. In particular, the refractive index of the transition layer smaller than an average value of refractive indices of the inorganic semiconductor layers of the active layer.
Der Übergangsschicht ist in Richtung von der Rückseite zur Vorderseite hin ein erster photonischer Kristall nachgeordnet. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist der photonische Kristall eine ein- oder zweidimensionale laterale Strukturierung auf. Alternativ ist auch ein photonischer Kristall mit einer dreidimensionalen Strukturierung denkbar.The transition layer is followed by a first photonic crystal in the direction from the back to the front. In a preferred embodiment, the photonic crystal has a one-dimensional or two-dimensional lateral structuring. Alternatively, a photonic crystal with a three-dimensional structuring is conceivable.
Unter einem photonischen Kristall, der eine ein- oder zweidimensionale laterale Strukturierung aufweist, wird vorliegend ein photonischer Kristall verstanden, der Struktureinheiten aufweist, welche in Draufsicht auf die Vorderseite des Halbleiterchips in einer Richtung (eindimensionale laterale Strukturierung) oder in zwei verschiedenen Richtungen (zweidimensionale laterale Strukturierung) seitlich aufeinander folgen. Als Struktureinheiten werden im vorliegenden Zusammenhang die Grundelemente bezeichnet, welche die laterale Strukturierung definieren, etwa einzelne Stege, Rillen, Vorsprünge oder Ausnehmungen.A photonic crystal which has a one-dimensional or two-dimensional lateral structuring is understood here to mean a photonic crystal which has structural units which, in plan view, face the front side of the semiconductor chip in one direction (one-dimensional lateral structuring) or in two different directions (two-dimensional lateral structures) Structuring) follow each other laterally. Structural units in the present context are the basic elements which define the lateral structuring, for example individual webs, grooves, protrusions or recesses.
In die dritte Raumrichtung, insbesondere also in Blickrichtung der Draufsicht auf die Vorderseite, weist der erste photonische Kristall, der eine ein- oder zweidimensionale laterale Strukturierung aufweist, insbesondere keine aufeinanderfolgenden Struktureinheiten auf. Anders ausgedrückt sind die Struktureinheiten vorzugsweise in einer einzigen Lage angeordnet. Dagegen folgen bei einer dreidimensionalen Strukturierung Struktureinheiten des photonischen Kristalls in drei verschiedenen Raumrichtungen aufeinander. Bei einer eindimensionalen Strukturierung weist der photonische Kristall beispielsweise Rillen und/oder Stege auf, die insbesondere parallel oder annähernd parallel verlaufen. Als "Stege" und "Rillen" werden im vorliegenden Zusammenhang Erhebungen und Vertiefungen bezeichnet, die in Draufsicht auf die Vorderseite in derjenigen Richtung, in der sie aufeinander folgen, eine Ausdehnung haben, die geringer ist als in einer dazu senkrechten Richtung. Beispielsweise ist in dieser zuletzt genannten Richtung die Ausdehnung der Stege mindestens doppelt so groß, vorzugsweise mindestens fünf Mal so groß wie in der Richtung, in der die Stege aufeinander folgen. Insbesondere erstrecken sich die Stege und/oder Rillen im Wesentlichen über eine gesamte Länge des Halbleiterchips .In the third spatial direction, ie in particular in the direction of the top view of the front side, the first photonic crystal, which has a one- or two-dimensional lateral structuring, in particular has no successive structural units. In other words, the structural units are preferably arranged in a single layer. In contrast, structural units of the photonic crystal follow one another in three different spatial directions in a three-dimensional structuring. In the case of a one-dimensional structuring, the photonic crystal has, for example, grooves and / or webs which in particular run parallel or approximately parallel. As "webs" and "grooves" in the present context, elevations and depressions are referred to, which have a dimension in plan view of the front in the direction in which they follow one another, which is less than in a direction perpendicular thereto. For example, in this last-mentioned direction, the extension of the webs is at least twice as large, preferably at least five times as large as in the direction in which the webs follow one another. In particular, the webs and / or grooves extend essentially over an entire length of the semiconductor chip.
Bei einer zweidimensionalen lateralen Strukturierung können die Struktureinheiten beispielsweise an Gitterpunkten eines gedachten zweidimensionalen Gitters angeordnet sein. Bei dem Gitter kann es sich beispielsweise um ein rechteckiges oder hexagonales Gitter handeln. Die Struktureinheiten sind zum Beispiel Vorsprünge, etwa Säulen oder Noppen, und/oder Aussparungen. Die Struktureinheiten haben vorzugsweise in Draufsicht auf die Vorderseite einen polygonalen oder runden, insbesondere elliptischen oder kreisförmigen, Querschnitt.In the case of a two-dimensional lateral structuring, the structural units can be arranged, for example, at grid points of an imaginary two-dimensional grid. For example, the grid may be a rectangular or hexagonal grid. The structural units are, for example, projections, such as columns or nubs, and / or recesses. The structural units preferably have a polygonal or round, in particular elliptical or circular, cross section in plan view of the front side.
Die ein- oder zweidimensionale laterale Strukturierung kann periodisch sein. Auch eine quasiperiodische, also eine geordnete, nicht periodische Strukturierung ist denkbar. Als quasiperiodische Strukturierungen kommen beispielsweise archimedische Gitter in Frage. Bei einer Ausgestaltung ist die Strukturierung als Honigwabengitter ausgeführt.The one- or two-dimensional lateral structuring may be periodic. Even a quasiperiodic, that is an ordered, non-periodic structuring is conceivable. As quasiperiodische structuring, for example Archimedean lattice in question. In one embodiment, the structuring is designed as a honeycomb grid.
Archimedische Gitter sind flächenfüllende Anordnungen aus Polygonen, bei denen alle Gitterplätze äquivalent sind. Dabei können verschiedene Sorten von Polygonen für eine flächenfüllende Anordnung verwendet sein, beispielsweise Dreiecke, Quadrate, Hexagone und/oder Oktagone. Die (gedachten) Polygone enthalten insbesondere jeweils eine Mehrzahl an Struktureinheiten .Archimedean lattices are surface-filling arrangements of polygons in which all lattice sites are equivalent. there For example, various types of polygons may be used for a full-surface array, such as triangles, squares, hexagons, and / or octagons. In particular, the (imaginary) polygons each contain a plurality of structural units.
Alternativ zu periodischen oder quasiperiodischen Strukturierungen sind auch ungeordnete Strukturierungen für die ein- oder zweidimensionale laterale Strukturierung des ersten photonischen Kristalls geeignet, bei denen jeweils lateral benachbarte Struktureinheiten charakteristische Abstände haben. Dass lateral benachbarte Struktureinheiten charakteristische Abstände haben bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Paarverteilungsfunktion, welche die lateralen Abstände der benachbarten Struktureinheiten beschreibt, bei einem bestimmten Abstand oder mehreren bestimmten Abständen ein Maximum hat .As an alternative to periodic or quasiperiodic structuring, disordered structurings are also suitable for the one- or two-dimensional lateral structuring of the first photonic crystal, in which each laterally adjacent structural units have characteristic spacings. That laterally adjacent structural units have characteristic distances in the present context means that the pair distribution function, which describes the lateral distances of the adjacent structural units, has a maximum at a certain distance or several specific distances.
Mittels der Kombination von DurchmischungsSchicht, Übergangsschicht und photonischem Kristall kann vorteilhafterweise eine gerichtete Auskoppelung der elektromagnetischen Strahlung aus dem Halbleiterchip mit einer besonders hohen Effizienz erzielt werden.By means of the combination of mixing layer, transition layer and photonic crystal, advantageously a directional decoupling of the electromagnetic radiation from the semiconductor chip can be achieved with a particularly high efficiency.
Von den Erfindern wird derzeit angenommen, dass ein Teil der von der aktiven Schicht emittierten elektromagnetischen Strahlung in so genannten geführten Moden emittiert wird. Die geführten Moden breiten sich, ähnlich wie bei einem Wellenleiter, in der aktiven Schicht aus, verlassen die aktive Schicht jedoch nicht. Solchen geführten Moden kann ein modaler Brechungsindex nmocj zugeordnet werden. Der modale Brechungsindex einer Mode hängt mit dem Ausbreitungswinkel θ der Mode zusammen durch die Beziehung: θ = aresin (nmo(j/n) .It is currently believed by the inventors that part of the electromagnetic radiation emitted by the active layer is emitted in so-called guided modes. The guided modes propagate in the active layer, similar to a waveguide, but do not leave the active layer. Such guided modes can be assigned a modal refractive index n moc j. The modal refractive index of a mode is related to the propagation angle θ of the mode by the relationship: θ = aresin (n mo (j / n).
n ist dabei der Brechungsindex des Materials, in dem sich die Mode ausbreitet. Für geführte Moden gilt 1 < nmO(j < n.n is the refractive index of the material in which the fashion propagates. For guided modes, 1 <n mO ( j <n.
Ein photonischer Kristall ist zur gerichteten Auskopplung geführter Moden aus dem Halbleiterchip geeignet, wenn der modale Brechungsindex der geführten Moden innerhalb eines bestimmten Bereiches ΔnpC liegt. Beispielsweise hat dieser Bereich Δnpc eine Breite von etwa ΔnpC=0,8. Für elektromagnetische Strahlung außerhalb dieses Bereichs kann in der Regel keine zufriedenstellende WinkelVerteilung der von dem photonischen Kristall ausgekoppelten Strahlungsintensität erzielt werden.A photonic crystal is suitable for directionally coupling out guided modes from the semiconductor chip when the modal refractive index of the guided modes is within a certain range Δnp C. For example, this range Δn pc has a width of approximately Δnp C = 0.8. For electromagnetic radiation outside this range, a satisfactory angular distribution of the radiation intensity coupled out from the photonic crystal can generally not be achieved.
Der Brechungsindex der aktiven Schicht ist üblicherweise vergleichsweise hoch. Zum Beispiel beträgt er etwa 2,5 für GaN und etwa 3,4 für AlGaInP. Wird der photonische Kristall direkt auf eine Halbleiterschicht der aktiven Schicht oder auf eine Schicht mit einem vergleichbar großen Brechungsindex aufgebracht, besteht die Gefahr, dass ein vergleichsweise großer Anteil der geführten Moden nicht aus dem Halbleiterchip ausgekoppelt wird.The refractive index of the active layer is usually comparatively high. For example, it is about 2.5 for GaN and about 3.4 for AlGaInP. If the photonic crystal is applied directly to a semiconductor layer of the active layer or to a layer with a comparably large refractive index, there is a risk that a comparatively large proportion of the guided modes will not be coupled out of the semiconductor chip.
Gemäß der vorliegenden Anmeldung ist der photonische Kristall stattdessen mit Vorteil auf einer ÜbergangsSchicht mit einem relativ kleinen Brechungsindex aufgebracht. Beispielsweise ist der Brechungsindex der ÜbergangsSchicht kleiner oder gleich 2,5, vorzugsweise kleiner oder gleich 2. Bei einer Ausgestaltung hat der Brechungsindex der ÜbergangsSchicht einen Wert zwischen 1,4 und 1,9, insbesondere zwischen 1,4 und 1,8, zum Beispiel zwischen 1,7 und 1,8 wobei die Grenzen jeweils eingeschlossen sind.Instead, according to the present application, the photonic crystal is advantageously deposited on a transition layer having a relatively low refractive index. For example, the refractive index of the transition layer is less than or equal to 2.5, preferably less than or equal to 2. In one embodiment, the refractive index of the transition layer has a value between 1.4 and 1.9, in particular between 1.4 and 1.8, for example, between 1.7 and 1.8, with the boundaries each included.
Die modalen Brechungsindices nmo(j der geführten Moden werden beim Übergang von der aktiven Schicht in die ÜbergangsSchicht mittels der DurchmischungsSchicht derart reduziert, dass sie kleiner oder gleich dem Brechungsindex der Übergangsschicht sind. Der Bereich ΔnpC der modalen Brechungsindices nmO(j, welche vom photonischen Kristall gerichtet ausgekoppelt werden und der Bereich Δnmc der modalen Brechungsindices nmO(j, welche sich in der Übergangsschicht ausbreiten, sind dann vorteilhafterweise etwa gleich groß. Mittels der Streuung an den Streuelementen der Durchmischungsschicht kann erreicht werden, dass ein besonders großer Anteil der geführten Moden von der aktiven Schicht in die Übergangsschicht tritt. Die Gefahr einer Totalreflexion von geführten Moden am Übergang zwischen aktiver Schicht und Übergangsschicht ist auf diese Weise besonders gering.The modal refractive indices n mo ( j of the guided modes are reduced to be less than or equal to the refractive index of the transition layer in the transition from the active layer to the transition layer by means of the intermixing layer The range Δnp C of the modal indices of refraction n mO ( j The range Δn mc of the modal indices of refraction n mO ( j, which propagate in the transition layer are then advantageously approximately equal, and it can be achieved by means of the scattering at the scattering elements of the intermixing layer that a particularly large fraction In this way, the risk of total reflection of guided modes at the transition between the active layer and the transition layer is particularly low.
Die vorliegende Anmeldung macht sich mit Vorteil die Erkenntnis zunutze, dass mittels der Durchmischungsschicht und der Übergangsschicht eine verlustarme Modenkompression der geführten Moden in einen kleinen Bereich modaler Brechungsindices erzielt werden kann. Auf diese Weise wird ein besonders großer Anteil der geführten Moden mittels des ersten photonischen Kristalls aus dem Halbleiterchip gerichtet ausgekoppelt.The present application advantageously takes advantage of the finding that by means of the intermixing layer and the transition layer a low-loss mode compression of the guided modes can be achieved in a small range of modal refractive indices. In this way, a particularly large portion of the guided modes are coupled out of the semiconductor chip by means of the first photonic crystal.
Zum Beispiel werden mittels des ersten photonischen Kristalls, der Übergangsschicht und der Durchmischungsschicht (bezogen auf die Lichtstärke) mindestens 30 Prozent, vorzugsweise mindestens 35 Prozent der von der Vorderseite ausgekoppelten elektromagnetischen Strahlung unter einem Winkel von kleiner oder gleich 30° zur Flächennormalen einer Haupt- erstreckungsebene des Halbleiterchips emittiert. Ein Lambertscher Emitter emittiert in diesem Winkelbereich lediglich etwa 25 Prozent der elektromagnetischen Strahlung. Gegenüber einem Lambertschen Emitter ist der Anteil der elektromagnetischen Strahlung, die unter einem Winkel von kleiner oder gleich 30° zur Flächennormalen der Haupterstreckungsebene emittiert wird, somit vorteilhafterweise um etwa 20 Prozent oder mehr, vorzugsweise um etwa 40 Prozent oder mehr erhöht.For example, by means of the first photonic crystal, the transition layer and the intermixing layer (based on the light intensity), at least 30 percent, preferably at least 35 percent of the electromagnetic radiation coupled out from the front side is at an angle of less than or equal to 30 ° to the surface normal of a main extension plane of the semiconductor chip emitted. A Lambertian emitter emits only about 25 percent of the electromagnetic radiation in this angular range. Compared with a Lambertian emitter, the proportion of the electromagnetic radiation emitted at an angle of less than or equal to 30 ° to the surface normal of the main plane of extension is thus advantageously increased by about 20% or more, preferably by about 40% or more.
Bei einer Ausgestaltung grenzt die aktive Schicht an die Durchmischungsschicht und/oder die Durchmischungsschicht an die Übergangsschicht und/oder die Übergangsschicht an den ersten photonischen Kristall an. Vorzugsweise werden die aktive Schicht, die Durchmischungsschicht, die Übergangsschicht und der erste photonische Kristall von direkt aufeinander folgenden Schichten des Halbleiterchips gebildet.In one embodiment, the active layer adjoins the intermixing layer and / or the intermixing layer to the transition layer and / or the transition layer to the first photonic crystal. Preferably, the active layer, the intermixing layer, the transition layer and the first photonic crystal are formed by directly successive layers of the semiconductor chip.
Bei einer weiteren Ausgestaltung wird zumindest ein Teil der Streuelemente von Defekten der Durchmischungsschicht gebildet. Vorzugsweise weist die Durchmischungsschicht eine große Dichte an Defekten auf. Bei einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist die Durchmischungsschicht eine Pufferschicht.In a further embodiment, at least a part of the scattering elements is formed by defects of the mixing layer. Preferably, the intermixing layer has a large density of defects. In a development of this embodiment, the mixing layer is a buffer layer.
Bei den Defekten handelt es sich insbesondere um Gitterdefekte eines kristallinen Materials, vorzugsweise eines Halbleitermaterials, das in der Durchmischungsschicht enthalten ist oder aus dem die Durchmischungsschicht besteht. Beispielsweise enthält die Durchmischungsschicht das gleiche Halbleitermaterial wie die aktive Schicht.The defects are, in particular, lattice defects of a crystalline material, preferably a semiconductor material, which is contained in the intermixing layer or of which the intermixing layer consists. For example, the intermixing layer contains the same semiconductor material as the active layer.
Unter einer "großen Dichte an Defekten" wird im vorliegenden Zusammenhang verstanden, dass die Defektdichte, also insbe- sondere die Anzahl der Gitterdefekte pro Volumen, in der Durchmischungsschicht mindestens doppelt so groß, vorzugsweise mindestens fünfmal so groß und insbesondere mindestens zehn mal so groß ist wie in einer der DurchmischungsSchicht zugewandten und insbesondere an diese angrenzenden Halbleiterschicht der aktiven Schicht. Bei einer Ausgestaltung hat die Defektdichte in der DurchmischungsSchicht einen Wert von größer oder gleich lO-'-S cm"-^ vorzugsweise von größer oder gleich 10^6 cm~3. zum Beispiel hat sie einen Wert von 1()17 cm"3 oder mehr.In the present context, a "large density of defects" means that the defect density, ie in particular in particular the number of lattice defects per volume, in the intermixing layer is at least twice as large, preferably at least five times as large and in particular at least ten times as large as in one of the intermixing layer facing and in particular adjacent to this semiconductor layer of the active layer. In one embodiment, the defect density was in the mixing layer has a value greater than or equal to lO -'- S cm "- preferably ^ of greater than or equal to 10 ^ 6 cm ~ 3, for example, it has a value of 1 () 17 cm" 3 or more.
Eine Pufferschicht ist insbesondere eine direkt an ein Aufwachsubstrat angrenzende Halbleiterschicht. Sie ist beispielsweise vor Halbleiterschichten einer epitaktisch auf dem AufwachsSubstrat hergestellten aktiven Schicht des Halbleiterchips auf das Aufwachsubstrat aufgebracht. Beispielsweise dient sie zur Anpassung einer Gitterkonstante des Aufwachssubstrats an eine Gitterkonstante einer Halbleiterschicht der aktiven Schicht. Eine Pufferschicht weist mit Vorteil eine große Dichte von Gitterdefekten auf, welche zumindest einen Teil der Streuelemente darstellen können.A buffer layer is in particular a semiconductor layer directly adjacent to a growth substrate. It is, for example, applied to the growth substrate in front of semiconductor layers of an active layer of the semiconductor chip produced epitaxially on the growth substrate. For example, it serves to adapt a lattice constant of the growth substrate to a lattice constant of a semiconductor layer of the active layer. A buffer layer advantageously has a large density of lattice defects, which can represent at least part of the scattering elements.
Bei einer anderen Ausgestaltung ist zumindest ein Teil der Streuelemente von einer strukturierten Grenzfläche gebildet. Die Grenzfläche kann regelmäßig oder unregelmäßig strukturiert sein. Beispielsweise handelt es sich um eine Grenzfläche zwischen der aktiven Schicht und der ÜbergangsSchicht. Bei einer Ausgestaltung weist die DurchmischungsSchicht Streuelemente auf, deren laterale Ausdehnung einen Wert hat, der größer oder gleich dem 0,5-fachen einer Wellenlänge eines Emissionsmaximums der elektromagnetischen Strahlung liegt, welche im Betrieb des Halbleiterchips von der aktiven Schicht ausgesandt wird. Vorzugsweise ist die laterale Ausdehnung kleiner oder gleich dem fünffachen der Wellenlänge des Emissionsmaximums . Unter der "Wellenlänge" ist im Zusammenhang der vorliegenden Anmeldung grundsätzlich die Vakuum-Wellenlänge zu verstehen.In another embodiment, at least a part of the scattering elements is formed by a structured interface. The interface can be structured regularly or irregularly. For example, it is an interface between the active layer and the transition layer. In one embodiment, the intermixing layer has scattering elements whose lateral extent has a value which is greater than or equal to 0.5 times a wavelength of an emission maximum of the electromagnetic radiation which is emitted by the active layer during operation of the semiconductor chip. Preferably, the lateral extent less than or equal to five times the wavelength of the emission maximum. In principle, the term "wavelength" in the context of the present application is to be understood as meaning the vacuum wavelength.
Bei einer weiteren Ausgestaltung wird zumindest ein Teil der Streuelemente von einem zweiten photonischen Kristall gebildet. Zweckmäßigerweise ist eine charakteristische Strukturgröße des ersten photonischen Kristalls größer als eine entsprechende charakteristische Strukturgröße des zweiten photonischen Kristalls. Bei der charakteristischen Strukturgröße kann es sich beispielsweise jeweils um eine Gitterkonstante oder um den lateralen Abstand benachbarter Struktureinheiten des jeweiligen photonischen Kristalls handeln. Die charakteristische Strukturgröße des ersten photonischen Kristalls ist beispielsweise um einen Faktor von 1,5 oder mehr, insbesondere um einen Faktor 2 oder mehr größer als die entsprechende, charakteristische Strukturgröße des zweiten photonischen Kristalls. Auf diese Weise kann mit Vorteil eine besonders effiziente Kompression der modalen Brechungsindices der in der aktiven Schicht geführten Moden in einen Moden-Bereich erzielt werden, welcher vom ersten photonischen Kristall ausgekoppelt wird.In a further embodiment, at least a part of the scattering elements is formed by a second photonic crystal. Conveniently, a characteristic feature size of the first photonic crystal is larger than a corresponding feature feature size of the second photonic crystal. The characteristic structure size may be, for example, a lattice constant or the lateral spacing of neighboring structural units of the respective photonic crystal. By way of example, the characteristic structure size of the first photonic crystal is greater by a factor of 1.5 or more, in particular by a factor of 2 or more, than the corresponding characteristic structure size of the second photonic crystal. In this way, it is advantageously possible to achieve a particularly efficient compression of the modal refractive indices of the modes conducted in the active layer into a mode range which is decoupled from the first photonic crystal.
Bei einer anderen Ausgestaltung ist die charakteristische Strukturgröße des ersten photonischen Kristalls kleiner als eine Wellenlänge eines Emissionsmaximums der von der aktiven Schicht im Betrieb des Halbleiterchips emittierten elektromagnetischen Strahlung. Beispielsweise ist die Strukturgröße kleiner oder gleich dem 0,75-fachen der Wellenlänge.In another embodiment, the characteristic structure size of the first photonic crystal is smaller than a wavelength of an emission maximum of the electromagnetic radiation emitted by the active layer during operation of the semiconductor chip. For example, the feature size is less than or equal to 0.75 times the wavelength.
Bei einer weiteren Ausgestaltung ist eine charakteristische Strukturgröße, beispielsweise eine Gitterkonstante, des ers- ten photonischen Kristalls größer als die Wellenlänge des Emissionsmaximums der von der aktiven Schicht emittierten elektromagnetischen Strahlung multipliziert mit dem Kehrwert des Brechungsindex der ÜbergangsSchicht. Vorzugsweise ist die charakteristische Strukturgröße größer oder gleich 0,5-fachen und insbesondere größer oder gleich dem 0,65-fachen der Wellenlänge.In a further embodiment, a characteristic structure size, for example a lattice constant, of the first photonic crystal greater than the wavelength of the emission maximum of the electromagnetic radiation emitted by the active layer multiplied by the inverse of the refractive index of the transition layer. The characteristic feature size is preferably greater than or equal to 0.5 times and in particular greater than or equal to 0.65 times the wavelength.
Die charakteristische Strukturgröße des zweiten photonischen Kristalls hat bei einer Ausgestaltung einen Wert, der zwischen demjenigen der Wellenlänge des Emissionsmaximums, multipliziert mit dem Kehrwert des Brechungsindex der Übergangsschicht und dem Wert der Wellenlänge des Emissionsmaximums, multipliziert mit dem Kehrwert des Brechungsindex der aktiven Schicht liegt. Beispielsweise hat die charakteristische Strukturgröße einen Wert zwischen dem 0,28-fachen und dem 0,7-fachen der Wellenlänge des Emissionsmaximums, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Untersuchungen der Erfinder haben ergeben, dass mit derartigen Strukturgrößen eine besonders effiziente Auskoppelung erzielt werden kann.The characteristic feature size of the second photonic crystal in one embodiment has a value that is between that of the emission maximum wavelength multiplied by the inverse of the transition layer refractive index and the emission maximum wavelength value multiplied by the inverse of the refractive index of the active layer. For example, the characteristic feature size has a value between 0.28 and 0.7 times the emission maximum wavelength, with the limits included. Investigations by the inventors have shown that with such structure sizes a particularly efficient decoupling can be achieved.
Bei einer anderen Ausgestaltung des Halbleiterchips geht der aktiven Schicht in Richtung von der Rückseite zur Vorderseite eine rückseitige Reflektorschicht voraus. Mit der rückseitigen Reflektorschicht kann eine weitere Erhöhung der Effizienz erzielt werden, mit der elektromagnetischen Strahlung durch den ersten photonischen Kristall aus dem Halbleiterchip ausgekoppelt wird. Bei einer Ausgestaltung des Halbleiterchips ist zwischen der rückseitigen Reflektorschicht und der aktiven Schicht eine Schicht aus einem transparenten, leitfähigen Oxid angeordnet . Bei einer weiteren Ausgestaltung ist zumindest auf einem Teilbereich einer oder mehrerer Seitenflächen des Halbleiterchips eine seitliche Reflektorschicht aufgebracht. Bei einem Halbleiterchip mit einer seitlichen Reflektorschicht ist der Anteil der elektromagnetischen Strahlung, welcher durch die Seitenflächen ausgekoppelt wird, besonders gering. Auf diese Weise wird ein besonders großer Anteil der elektromagnetischen Strahlung gerichtet mittels des ersten photonischen Kristalls aus dem Halbleiterchip ausgekoppelt. So kann eine besonders gut gerichtete Abstrahlung erzielt werden.In another embodiment of the semiconductor chip, the active layer is preceded by a rear reflector layer in the direction from the rear side to the front side. With the rear reflector layer, a further increase in the efficiency can be achieved with which electromagnetic radiation is coupled out of the semiconductor chip by the first photonic crystal. In one embodiment of the semiconductor chip, a layer of a transparent, conductive oxide is arranged between the rear reflector layer and the active layer. In a further embodiment, a lateral reflector layer is applied at least on a partial region of one or more side surfaces of the semiconductor chip. In the case of a semiconductor chip with a lateral reflector layer, the proportion of the electromagnetic radiation which is coupled out by the side surfaces is particularly low. In this way, a particularly large portion of the electromagnetic radiation directed by means of the first photonic crystal is coupled out of the semiconductor chip. So a particularly well-directed radiation can be achieved.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des Halbleiterchips wird die Übergangsschicht von einem Aufwachssubstrat oder einem gedünnten Rest des Aufwachssubstrates gebildet. Bei einer anderen Ausgestaltung weist die ÜbergangsSchicht ein Silizium- Oxid, ein Silizium-Nitrid, Titandioxid und/oder ein transparentes, leitfähiges Oxid wie Indium-Zinn-Oxid (ITO) und/oder ZnO auf oder besteht aus mindestens einem dieser Materialien. Beispielsweise weist die ÜbergangsSchicht ein transparentes leitfähiges Oxid auf, das einen Brechungsindex von kleiner oder gleich 2, zum Beispiel einen Brechungsindex von etwa 1,9 hat.In a further embodiment of the semiconductor chip, the transition layer is formed by a growth substrate or a thinned residue of the growth substrate. In another embodiment, the transition layer comprises a silicon oxide, a silicon nitride, titanium dioxide and / or a transparent, conductive oxide such as indium tin oxide (ITO) and / or ZnO or consists of at least one of these materials. For example, the transition layer comprises a transparent conductive oxide having a refractive index of less than or equal to 2, for example a refractive index of about 1.9.
Eine bevorzugte Schichtdicke der ÜbergangsSchicht hat einen Wert zwischen 1 um und 10 um, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Untersuchungen der Erfinder haben ergeben, dass sich eine solche Schichtdicke in Bezug auf die Ausbreitung und die Absorption der geführten Moden vorteilhaft auswirkt. Ein Brechungsindex der ÜbergangsSchicht ist bei einer Ausgestaltung kleiner oder gleich 2.A preferred layer thickness of the transition layer has a value between 1 μm and 10 μm, including the limits. Investigations by the inventors have shown that such a layer thickness has an advantageous effect with respect to the propagation and the absorption of the guided modes. A refractive index of the transition layer is less than or equal to 2 in one embodiment.
Bei einer weiteren Ausgestaltung ist der Halbleiterchip frei von einem AufwachsSubstrat . Vorliegend bedeutet "frei von ei- nem Aufwachssubstrat", dass ein gegebenenfalls zum Aufwachsen der aktiven Schicht benutztes Aufwachssubstrat von der aktiven Schicht entfernt oder zumindest stark gedünnt ist. Insbesondere ist es derart gedünnt, dass es für sich oder zusammen mit der aktiven Schicht alleine nicht freitragend ist. Der verbleibende Rest des stark gedünnten Aufwachssubstrats ist insbesondere als solches für die Funktion eines Aufwachssubstrates ungeeignet.In a further embodiment, the semiconductor chip is free of a growth substrate. In the present context, "free of In a growth substrate, a growth substrate optionally used to grow the active layer is removed from the active layer or at least heavily thinned, in particular, it is thinned so that it is not self-supporting on its own or together with the active layer alone strongly thinned growth substrate is particularly unsuitable as such for the function of a growth substrate.
Insbesondere handelt es sich bei dem Halbleiterchip um einen sogenannten Dünnfilm-Leuchtdiodenchip .In particular, the semiconductor chip is a so-called thin-film light-emitting diode chip.
Ein Dünnfilm-Leuchtdiodenchip zeichnet sich durch mindestens eines der folgenden charakteristischen Merkmale aus :A thin-film light-emitting diode chip is characterized by at least one of the following characteristic features:
- der Dünnfilm-Leuchtdiodenchip weist ein Trägerelement auf, bei dem es sich nicht um das WachstumsSubstrat handelt, auf dem die aktive Schicht epitaktisch gewachsen wurde, sondern um ein separates Trägerelement, das nachträglich an der aktiven Schicht befestigt wurde;the thin-film light-emitting diode chip has a carrier element which is not the growth substrate on which the active layer has been epitaxially grown, but a separate carrier element which has subsequently been attached to the active layer;
- an einer zu dem Trägerelement hingewandten Hauptfläche der aktiven Schicht, ist eine reflektierende Schicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Halbleiterschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert;on a major surface of the active layer facing the carrier element, a reflective layer is applied or formed which reflects back at least part of the electromagnetic radiation generated in the semiconductor layer sequence;
- die aktive Schicht weist eine Dicke im Bereich von 20 um oder weniger, insbesondere im Bereich von 10 um oder weniger auf;the active layer has a thickness in the range of 20 μm or less, in particular in the range of 10 μm or less;
- der Dünnfilm-Leuchtdiodenchip ist frei von einem Aufwachssubstrat; undthe thin-film light-emitting diode chip is free of a growth substrate; and
- die aktive Schicht enthält mindestens eine Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungs- struktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd ergo- dischen Verteilung des Lichtes in der Halbleiterschichten- folge führt, das heißt, sie weist ein möglichst ergodisch stochastisches Streuverhalten auf; diese Halbleiterschicht kann vorliegend gegebenenfalls in der DurchmischungsSchicht enthalten sein.the active layer contains at least one semiconductor layer with at least one surface which has a mixing structure which, in the ideal case, results in an approximately ergo-elastic distribution of the light in the semiconductor layers. result, that is, it has the most ergodisch stochastic scattering behavior; If desired, this semiconductor layer may optionally be contained in the mixing layer.
Ein Grundprinzip eines Dünnfilm-Leuchtdiodenchips ist beispielsweise in der Druckschrift I. Schnitzer et al . , Appl . Phys. Lett. 63 (16) 18. Oktober 1993, Seiten 2174 - 2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Beispiele für Dünnfilm-Leuchtdiodenchips sind in den Druckschriften EP 0905797 A2 und WO 02/13281 Al beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit ebenfalls durch Rückbezug aufgenommen wird.A basic principle of a thin-film light-emitting diode chip is described, for example, in the publication I. Schnitzer et al. , Appl. Phys. Lett. 63 (16) 18 October 1993, pages 2174 - 2176, the disclosure of which is hereby incorporated by reference. Examples of thin-film light-emitting diode chips are described in the publications EP 0905797 A2 and WO 02/13281 A1, the disclosure content of which is hereby also incorporated by reference.
Während Dünnfilm-Leuchtdiodenchips oft in guter Näherung Lambert 'sehe Oberflächenstrahler sind, kann im Gegensatz dazu der Halbleiterchip gemäß der vorliegenden Anmeldung einen effizienten Dünnfilm-Leuchtdiodenchip mit einer gerichteten Abstrahlcharakteristik darstellen.While thin-film light-emitting diode chips are often Lambert's surface radiators to a good approximation, in contrast, the semiconductor chip according to the present application can represent an efficient thin-film light-emitting diode chip with a directional emission characteristic.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den folgenden, in Zusammenhang mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.Further advantages and advantageous embodiments and developments will become apparent from the following, described in connection with the figures embodiments.
Es zeigen:Show it:
Figur 1 einen schematischen Querschnitt durch einen optoelektronischen Halbleiterchip gemäß einem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel ,FIG. 1 shows a schematic cross section through an optoelectronic semiconductor chip according to a first exemplary embodiment,
Figur 2 einen schematischen Querschnitt durch einen optoelektronischen Halbleiterchip gemäß einem zweiten exemplarischen Ausführungsbeispiel , Figur 3 einen schematischen Querschnitt durch einen optoelektronischen Halbleiterchip gemäß einem dritten exemplarischen Ausführungsbeispiel ,FIG. 2 shows a schematic cross section through an optoelectronic semiconductor chip according to a second exemplary embodiment, FIG. 3 shows a schematic cross section through an optoelectronic semiconductor chip according to a third exemplary embodiment,
Figur 4A schematische Draufsicht auf eine Vorderseite des Halbleiterchips gemäß der Figur 1,FIG. 4A shows a schematic plan view of a front side of the semiconductor chip according to FIG. 1,
Figur 4B schematische Draufsicht auf die Vorderseite eines Halbleiterchips gemäß einer Variante des ersten Ausführungsbeispiels, undFIG. 4B shows a schematic plan view of the front side of a semiconductor chip according to a variant of the first exemplary embodiment, and FIG
Figur 4C schematische Draufsicht auf die Vorderseite eines Halbleiterchips gemäß einer zweiten Variante des ersten Ausführungsbeispiels.FIG. 4C shows a schematic plan view of the front side of a semiconductor chip according to a second variant of the first exemplary embodiment.
In den Figuren und Ausführungsbeispielen sind gleiche oder ähnliche Bestandteile sowie gleich oder ähnlich wirkende Bestandteile mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente sind nicht als maßstabsgerecht zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente wie beispielsweise Schichten zum besseren Verständnis und/oder zur besseren Darstellbarkeit übertrieben groß dargestellt sein.In the figures and exemplary embodiments, identical or similar components as well as identical or similar components are provided with the same reference numerals. The figures and the proportions of the elements shown in the figures are not to be considered as true to scale. Rather, individual elements such as layers for better understanding and / or better representability can be exaggerated.
Figur 1 zeigt ein erstes exemplarisches Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips. Der Halbleiterchip ist zur Auskopplung elektromagnetischer Strahlung von einer Vorderseite 7 vorgesehen. Er weist eine aktive Schicht 1 mit einer Folge von Halbleiterschichten auf. Die Folge von Halbleiterschichten enthält eine aktiven Zone 11 zwischen einer n-leitenden Schicht 13 und einer p-leitenden Schicht 12. Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist die n-leitende Schicht 13 der Vorderseite 7 zugewandt. Alternativ kann die p-leitende Schicht 12 der Vorderseite 7 zugewandt sein und die n-leitende Schicht 13 auf der von der Vorderseite 7 abgewandten Seite der aktiven Zone 11 angeordnet sein.FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of an optoelectronic semiconductor chip. The semiconductor chip is provided for coupling electromagnetic radiation from a front side 7. It has an active layer 1 with a sequence of semiconductor layers. The sequence of semiconductor layers includes an active region 11 between an n-type layer 13 and a p-type layer 12. In the embodiment of Figure 1, the n-type layer 13 faces the front side 7. Alternatively, the P-type layer 12 facing the front side 7 and the n-type layer 13 may be disposed on the side facing away from the front side 7 of the active zone 11.
Die aktive Zone 11 enthält bevorzugt einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, einen Einfach-Quantentopf (SQW, Single quantum well) oder, besonders bevorzugt, eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW, multi quantum well) zur Strahlungserzeugung. Die Bezeichnung QuantentopfStruktur entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit u.a. Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen. Beispiele für MQW-Strukturen sind in den Druckschriften WO 01/39282, US 5,831,277, US 6,172,382 Bl und US 5,684,309 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.The active zone 11 preferably contains a pn junction, a double heterostructure, a single quantum well (SQW, single quantum well) or, more preferably, a multiple quantum well structure (MQW, multi quantum well) for generating radiation. The term quantum well structure unfolds no significance with regard to the dimensionality of the quantization. It thus includes u.a. Quantum wells, quantum wires and quantum dots and any combination of these structures. Examples of MQW structures are described in the publications WO 01/39282, US 5,831,277, US 6,172,382 Bl and US 5,684,309, the disclosure content of which is hereby incorporated by reference.
In Richtung zu einer der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite 8 des Halbleiterchips hin folgt auf die aktive Schicht 1 zunächst eine Schicht 6 aus einem transparenten, leitfähigen Oxid wie ITO (Indium-Zinn-Oxid) und nachfolgend eine rückseitige Reflektorschicht 5, die beispielsweise ein Metall wie Ag enthält oder daraus besteht.Towards a rear side 8 of the semiconductor chip opposite the front side, the first active layer 1 is followed by a layer 6 made of a transparent, conductive oxide such as ITO (indium-tin oxide) and subsequently a rear-side reflector layer 5 comprising, for example, a metal such as Ag contains or consists of.
In Richtung von der Rückseite 8 zur Vorderseite 7 hin folgt der aktiven Schicht 1 eine Durchmischungsschicht 2 nach. Nachfolgend auf die DurchmischungsSchicht 2 ist in Richtung von der Rückseite 8 zur Vorderseite 7 eine ÜbergangsSchicht 3 angeordnet. An einer der Vorderseite 7 zugewandten Hauptfläche der Übergangsschicht 3 ist ein erster photonischer Kristall 4 aufgebracht oder ausgebildet. Bei der ÜbergangsSchicht 3 handelt es sich vorliegend um eine Schicht, die Saphir aufweist. Insbesondere handelt es sich bei der ÜbergangsSchicht 3 vorliegend um einen gedünnten Rest eines Aufwachssubstrats. Die ÜbergangsSchicht 3 hat einen Brechungsindex von kleiner oder gleich 1,8, insbesondere zwischen 1,76 und 1,78. Ihre Schichtdicke beträgt zum Beispiel etwa 10 um.Towards the rear side 8 towards the front side 7, the active layer 1 is followed by a mixing layer 2. Subsequent to the mixing layer 2, a transition layer 3 is arranged in the direction from the rear side 8 to the front side 7. At a major surface of the transition layer 3 facing the front side 7, a first photonic crystal 4 is applied or formed. The transition layer 3 in the present case is a layer comprising sapphire. In particular, the transition layer 3 in the present case is a thinned residue of a growth substrate. The transition layer 3 has a refractive index of less than or equal to 1.8, in particular between 1.76 and 1.78. Its layer thickness is for example about 10 μm.
Die Durchmischungsschicht 2 ist vorliegend eine Gallium- Nitrid-Schicht, welche als Pufferschicht auf das Aufwachssubstrat 3 aufgebracht ist. Sie dient zur Anpassung einer Gitterkonstante der Übergangsschicht 3 an eine Gitterkonstante der n-leitenden Schicht 13 der aktiven Schicht 1. Die aktive Schicht 1 ist mittels epitaktischen Wachstums auf der Pufferschicht 2 abgeschieden und enthält insbesondere ebenfalls GaN und/oder AlInGaN. Der Brechungsindex der Durchmischungs- schicht 2 und/oder der aktiven Schicht 1 hat insbesondere einen Wert von etwa 2,5.In the present case, the intermixing layer 2 is a gallium nitride layer which is applied to the growth substrate 3 as a buffer layer. It serves to adapt a lattice constant of the transition layer 3 to a lattice constant of the n-conductive layer 13 of the active layer 1. The active layer 1 is deposited on the buffer layer 2 by means of epitaxial growth and in particular also contains GaN and / or AlInGaN. The refractive index of the intermixing layer 2 and / or the active layer 1 has in particular a value of about 2.5.
Die Durchmischungsschicht 2 weist vorliegend eine große Dichte an Gitterdefekten 21 auf. Die Gitterdefekte 21 bilden Streuelemente, an denen von der aktiven Zone 11 in Richtung der Vorderseite 7 emittierte elektromagnetische Strahlung gestreut wird.In the present case, the intermixing layer 2 has a large density of lattice defects 21. The lattice defects 21 form scattering elements, on which electromagnetic radiation emitted by the active zone 11 in the direction of the front side 7 is scattered.
Mittels der rückseitigen Reflektorschicht 5 wird ein in Richtung der Rückseite 8 emittierter Anteil der von der aktiven Zone 11 emittierten Strahlung in Richtung der Vorderseite 7 zurückreflektiert. Auf diese Weise wird ein besonders großer Anteil der elektromagnetischen Strahlung an der Vorderseite 7 durch den ersten photonischen Kristall 4 hindurch ausgekoppelt. Der erste photonische Kristall 4 ist beispielsweise von einem vorderseitigen Randbereich der ÜbergangsSchicht 3 gebildet. Insbesondere stellt eine Strukturierung der vorderseitigen Hauptfläche der ÜbergangsSchicht 3 den ersten photonischen Kristall 4 dar. Die Strukturierung ist beispielsweise mittels eines Ätzverfahrens erzeugt.By means of the rear reflector layer 5, a portion of the radiation emitted by the active zone 11 in the direction of the rear side 8 is reflected back in the direction of the front side 7. In this way, a particularly large portion of the electromagnetic radiation on the front side 7 is coupled out through the first photonic crystal 4. The first photonic crystal 4 is formed, for example, from a front-side edge region of the transition layer 3. In particular, a structuring of the front-side main surface of the transition layer 3 represents the first photonic crystal 4. The structuring is produced, for example, by means of an etching process.
Der photonische Kristall 4 weist eine Mehrzahl von Struktureinheiten 41 auf. Die Struktureinheiten folgen lateral in mindestens einer Raumrichtung aufeinander. Die Struktureinheiten 41 können dabei periodisch, quasiperiodisch oder nicht periodisch angeordnet sein. In jedem Fall haben benachbarte Struktureinheiten 41 einen charakteristischen lateralen Abstand Dl voneinander. Sind die Struktureinheiten 41 in zwei voneinander verschiedenen Raumrichtungen einander lateral benachbart ist es auch möglich, dass zwei unterschiedliche charakteristische Abstände - einer in jeder der beiden Raumrichtungen - vorliegen, die voneinander verschieden sind.The photonic crystal 4 has a plurality of structural units 41. The structural units follow each other laterally in at least one spatial direction. The structural units 41 can be arranged periodically, quasi-periodically or not periodically. In any case, adjacent structural units 41 have a characteristic lateral distance Dl from each other. If the structural units 41 are laterally adjacent to one another in two mutually different spatial directions, it is also possible that there are two different characteristic distances, one in each of the two spatial directions, which are different from one another.
In Richtung von der Rückseite 8 zur Vorderseite 7 hat der erste photonische Kristall beim vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Ausdehnung zwischen einschließlich 150 nm und einschließlich 300 nm. Insbesondere weist der erste photonische Kristall 4 in dieser Richtung genau eine Lage von Struktureinheiten 41 auf. Anders ausgedrückt, sind die Struktureinheiten 41 in Richtung von der Rückseite 8 zur Vorderseite 7 vorzugsweise nicht gestapelt. Insbesondere haben auch die Struktureinheiten 41 jeweils vorzugsweise eine Ausdehnung zwischen einschließlich 150 nm und einschließlich 300 nm in Richtung von der Rückseite 8 zur Vorderseite 7.In the direction from the rear side 8 to the front side 7, the first photonic crystal in the present exemplary embodiment has an extension between 150 nm and 300 nm inclusive. In particular, the first photonic crystal 4 has exactly one layer of structural units 41 in this direction. In other words, the structural units 41 in the direction from the back 8 to the front 7 are preferably not stacked. In particular, the structural units 41 each preferably have an extent of between 150 nm and 300 nm inclusive in the direction from the rear side 8 to the front side 7.
Vorliegend weist der erste photonische Kristall 4 eine zweidimensionale laterale Strukturierung auf. In Figur 4A ist dies in einer schematischen Draufsicht auf die Vorderseite 7 dargestellt. Der Struktureinheiten 41 folgen vorliegend in Draufsicht auf die Vorderseite 7 in zwei zueinander senkrechten Richtungen periodisch aufeinander. Vorliegend haben entlang jeder dieser beiden Richtungen einander benachbarte Struktureinheiten 41 voneinander denselben Abstand Dl. Der Abstand Dl hat bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Wert, der einer Wellenlänge eines Emissionsmaximums der von der aktiven Zone 112 emittierten elektromagnetischen Strahlung, multipliziert mit dem Kehrwert von 1,4 entspricht.In the present case, the first photonic crystal 4 has a two-dimensional lateral structuring. In FIG. 4A this is shown in a schematic plan view of the front side 7. In the present case, the structural units 41 periodically follow one another in plan view of the front side 7 in two mutually perpendicular directions. In the present case, adjacent structural units 41 have the same distance D1 from each other along each of these two directions. The distance D1 in the present exemplary embodiment has a value which corresponds to a wavelength of an emission maximum of the electromagnetic radiation emitted by the active zone 112, multiplied by the reciprocal of 1.4 equivalent.
In Figur 4A ist eine in Figur 1 der Übersichtlichkeit halber weggelassene elektrische Kontaktschicht 9 eingezeichnet. Die elektrische Kontaktschicht 9 weist insbesondere ein metallisches Material auf. Beispielsweise kann es sich bei der elektrischen Kontaktschicht 9 um ein Bondpad handeln.In FIG. 4A, an electrical contact layer 9 omitted in FIG. 1 for the sake of clarity is shown. The electrical contact layer 9 has in particular a metallic material. By way of example, the electrical contact layer 9 may be a bonding pad.
Die elektrische Kontaktschicht 9 kann über Struktureinheiten 41 des ersten photonischen Kristalls 4 aufgebracht sein. Alternativ kann auch die vom Bondpad 9 bedeckte Fläche der Vorderseite 7 frei von Struktureinheiten 41 des ersten photonischen Kristalls sein.The electrical contact layer 9 can be applied via structural units 41 of the first photonic crystal 4. Alternatively, the surface of the front side 7 covered by the bonding pad 9 may also be free of structural units 41 of the first photonic crystal.
Figur 4B zeigt eine Variante des ersten Ausführungsbeispiels in einer schematischen Draufsicht auf die Vorderseite 7 des Halbleiterchips. Bei dieser Variante folgen nur in einer Raumrichtung Struktureinheiten 41 des ersten photonischen Kristalls aufeinander. Es handelt sich vorliegend also um eine eindimensionale laterale Strukturierung.FIG. 4B shows a variant of the first exemplary embodiment in a schematic plan view of the front side 7 of the semiconductor chip. In this variant, structural units 41 of the first photonic crystal follow one another only in one spatial direction. In the present case, this is a one-dimensional lateral structuring.
Der photonische Kristall hat bei dieser Variante beispielsweise Stege 41 als Struktureinheiten. Die Stege haben in der Richtung, in der sie aufeinander folgen, eine Ausdehnung, die geringer ist als in einer dazu senkrechten Richtung in der Draufsicht auf die Vorderseite 7. Beispielsweise ist in dieser Richtung die Ausdehnung der Stege 41 mindestens doppelt so groß, vorzugsweise mindestens fünf Mal so groß wie in der Richtung, in der die Stege 41 aufeinander folgen. Insbesondere erstrecken sich die Stege im wesentlichen über eine gesamte Kantenlänge des Halbleiterchips.The photonic crystal in this variant, for example, webs 41 as structural units. The webs have in the direction in which they follow each other, an extension, the For example, in this direction, the extension of the webs 41 is at least twice as large, preferably at least five times as large as in the direction in which the webs 41 follow one another. In particular, the webs extend substantially over an entire edge length of the semiconductor chip.
Figur 4C zeigt eine weitere Variante für den ersten photonischen Kristall 4 in einer schematischen Draufsicht auf die Vorderseite 7 des Strahlungsemittierenden Halbleiterchips. Bei der vorliegenden Variante sind Cluster 42 von Struktureinheiten 41 an der Vorderseite 7 des Strahlungsemittierenden Halbleiterchips angeordnet und bilden den ersten photonischen Kristall 4.FIG. 4C shows a further variant of the first photonic crystal 4 in a schematic plan view of the front side 7 of the radiation-emitting semiconductor chip. In the present variant, clusters 42 of structural units 41 are arranged on the front side 7 of the radiation-emitting semiconductor chip and form the first photonic crystal 4.
Die Cluster 42 sind beispielsweise periodisch angeordnet. Für die einzelnen Struktureinheiten 41 gibt es dagegen vorliegend keine Periodizität . Vorliegend handelt es sich also um eine geordnete, nicht periodische Struktur, also um eine quasiperiodische zweidimensionale laterale Strukturierung des ersten photonischen Kristalls 4. Auch andere quasiperiodische Strukturierungen, etwa archimedische Gitter aus Clustern 42 von Struktureinheiten 41, insbesondere aus verschiedenen Typen von Clustern 42, beispielsweise aus N-eckigen Clustern und M-eckigen Clustern mit N ≠ M, sind denkbar.The clusters 42 are arranged periodically, for example. By contrast, there is no periodicity for the individual structural units 41 in the present case. In the present case, therefore, there is an ordered, non-periodic structure, ie a quasiperiodic two-dimensional lateral structuring of the first photonic crystal 4. Also other quasiperiodische structuring, such as Archimedean lattice of clusters 42 of structural units 41, in particular from different types of clusters 42, for example N-angular clusters and M-angular clusters with N ≠ M are conceivable.
Mittels der DurchmischungsSchicht 2, der Übergangsschicht 3 und dem ersten photonischen Kristall 4 wird vorliegend ein Anteil von etwa 35 % (bezogen auf die Lichtstärke) der im Betrieb von der Vorderseite 7 ausgekoppelten elektromagnetischen Strahlung unter einem Winkel α zu einer Flächennormalen 100 einer Haupterstreckungsebene des Halbleiterchips emittiert, der einen Wert von 0° ≤ α ≤ 30° hat.By means of the mixing layer 2, the transition layer 3 and the first photonic crystal 4, a proportion of about 35% (based on the light intensity) of the electromagnetic radiation decoupled from the front side 7 during operation is present at an angle α to a surface normal 100 of a main extension plane of the semiconductor chip having a value of 0 ° ≦ α ≦ 30 °.
Figur 2 zeigt ein zweites exemplarisches Ausführungsbeispiel eines Strahlungsemittierenden Halbleiterchips in einem schematischen Querschnitt.FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a radiation-emitting semiconductor chip in a schematic cross-section.
Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel zunächst dadurch, dass die Durchmischungsschicht 2 nicht von einer Pufferschicht gebildet wird. Vielmehr enthält die DurchmischungsSchicht 2 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine der Vorderseite zugewandte Hauptfläche der aktiven Schicht 1, welche mit einer Strukturierung 20 versehen ist. Das Aufwachssubstrat, auf welchem die Halbleiterschichten der aktiven Schicht 1 epitaktisch aufgewachsen sind, ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel vollständig entfernt. Alternativ kann das Aufwachssubstrat oder, bevorzugt, ein gedünnter Rest des Aufwachssubstrats in der aktiven Schicht 1 enthalten sein. Das AufwachsSubstrat oder der gedünnte Rest des AufwachsSubstrats enthält zum Beispiel die vorderseitige Hauptfläche, welche die Strukturierung 20 aufweist.The second embodiment differs from the first embodiment initially in that the mixing layer 2 is not formed by a buffer layer. Rather, in the present exemplary embodiment, the mixing layer 2 contains a main surface of the active layer 1 facing the front side, which is provided with a structuring 20. The growth substrate on which the semiconductor layers of the active layer 1 are epitaxially grown is completely removed in the present embodiment. Alternatively, the growth substrate or, preferably, a thinned residue of the growth substrate may be contained in the active layer 1. The growth substrate or the thinned residue of the growth substrate includes, for example, the front-side major surface having the pattern 20.
Die Strukturierung 20 enthält eine Vielzahl von Grundeinheiten 21. Bei der Strukturierung 20 handelt es sich vorliegend um eine unregelmäßige Strukturierung. Mittels Grundeinheiten 21 der Strukturierung 20 sind Streuelemente gebildet, welche von der aktiven Zone 11 emittierte elektromagnetische Strahlung streuen. Die Grundeinheiten 21 haben eine laterale Ausdehnung, die insbesondere größer oder gleich einem Viertel der Wellenlänge des Emissionsmaximums der von der aktiven Zone 11 emittierten elektromagnetischen Strahlung ist. Bei einer unregelmäßigen Strukturierung 20 hat insbesondere ein Mittelwert der lateralen Ausdehnungen der Grundeinheiten 21 einen solchen Wert. Auf diese Weise kann eine effiziente Streuung der von der aktiven Zone 11 emittierten elektromagnetischen Strahlung erzielt werden.The structuring 20 contains a plurality of basic units 21. The structuring 20 in the present case is an irregular structuring. By means of basic units 21 of the structuring 20, scattering elements are formed which scatter electromagnetic radiation emitted by the active zone 11. The basic units 21 have a lateral extent, which is in particular greater than or equal to a quarter of the wavelength of the emission maximum of the electromagnetic radiation emitted by the active zone 11. In an irregular structuring 20 has in particular a Average value of the lateral extents of the basic units 21 such a value. In this way, efficient scattering of the electromagnetic radiation emitted by the active zone 11 can be achieved.
Auf die Strukturierung 20 ist bei dem zweiten Ausführungsbeispiel eine ÜbergangsSchicht 3 aufgebracht, die Silizium- Dioxid aufweist oder daraus besteht. Die ÜbergangsSchicht hat vorliegend einen Brechungsindex von kleiner oder gleich 1,5, zum Beispiel von etwa 1,47. Die aktive Schicht kann zum Beispiel AlInGaN mit einem Brechungsindex von etwa 2,5 - wie beim ersten Ausführungsbeispiel - oder AlGaInP mit einem Brechungsindex von etwa 3,4 aufweisen.In the second embodiment, a transition layer 3 which comprises or consists of silicon dioxide is applied to the structuring 20 in the second exemplary embodiment. The transition layer here has a refractive index of less than or equal to 1.5, for example about 1.47. The active layer may comprise, for example, AlInGaN having a refractive index of about 2.5 - as in the first embodiment - or AlGaInP having a refractive index of about 3.4.
Der erste photonische Kristall 4 kann, wie beim ersten Ausführungsbeispiel, mittels eines Ätzverfahrens in der Silizium-Dioxid-Schicht 3 erzeugt sein. Alternativ kann er auch auf die Silizium-Dioxid-Schicht 3 aufgebracht sein.The first photonic crystal 4 can be produced in the silicon dioxide layer 3 by means of an etching process, as in the first exemplary embodiment. Alternatively, it may also be applied to the silicon dioxide layer 3.
Ein weiterer Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist, dass auf die Flanken der ÜbergangsSchicht 3 eine seitliche Reflektorschicht 10 aufgebracht ist. Beispielsweise ist sie umlaufend um den Halbleiterchip ausgebildet. Die seitliche Reflektorschicht 10 kann zum Beispiel als dielektrischer Spiegel oder als Metallschicht ausgeführt sein.Another difference from the first exemplary embodiment is that a lateral reflector layer 10 is applied to the flanks of the transition layer 3. For example, it is formed circumferentially around the semiconductor chip. The lateral reflector layer 10 may be embodied, for example, as a dielectric mirror or as a metal layer.
Figur 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Strahlungsemittierenden Halbleiterchip gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel .FIG. 3 shows a schematic cross section through a radiation-emitting semiconductor chip according to a third exemplary embodiment.
Der Halbleiterchip gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von demjenigen des zweiten Ausführungsbei- spiels dadurch, dass die Streuelemente 21 der Durchmischungs- schicht 2 von einem zweiten photonischen Kristall 20 gebildet werden. Der zweite photonische Kristall 20 kann beispielsweise auf eine Halbleiterschicht, etwa die n-leitende Schicht 13, der aktiven Schicht 1 aufgebracht sein. Alternativ kann er auch in einem vorderseitigen Randbereich der aktiven Schicht 1 ausgebildet sein.The semiconductor chip according to the third embodiment differs from that of the second embodiment in that the scattering elements 21 of the mixing Layer 2 are formed by a second photonic crystal 20. The second photonic crystal 20 may, for example, be applied to a semiconductor layer, such as the n-type layer 13, of the active layer 1. Alternatively, it may also be formed in a front edge region of the active layer 1.
Der zweite photonische Kristall 20 weist Struktureinheiten 21 auf, die - insbesondere analog zum ersten photonischen Kristall 4 - in ein oder zwei Raumrichtungen periodisch, quasiperiodisch oder ungeordnet aufeinander folgen können. Eine charakteristische Strukturgröße D2 des zweiten photonischen Kristalls 20 ist kleiner als die entsprechende charakteristische Strukturgröße des ersten photonischen Kristalls 4. Beispielsweise ist ein lateraler Abstand D2 der jeweils benachbarten Struktureinheiten 21 des zweiten photonischen Kristalls 20 kleiner als der laterale Abstand Dl benachbarter Struktureinheiten 41 des ersten photonischen Kristalls 4. Der laterale Abstand zweier Struktureinheiten 21 des zweiten photonischen Kristalls 20 ist zum Beispiel etwa halb so groß wie der Abstand Dl zweier benachbarter Struktureinheiten 41 des ersten photonischen Kristalls 4.The second photonic crystal 20 has structural units 21 which - in particular analogously to the first photonic crystal 4 - can follow one another in one or two spatial directions periodically, quasi-periodically or disorderly. A characteristic structure size D2 of the second photonic crystal 20 is smaller than the corresponding characteristic structure size of the first photonic crystal 4. For example, a lateral distance D2 of the respectively adjacent structural units 21 of the second photonic crystal 20 is smaller than the lateral distance D1 of adjacent structural units 41 of the first photonic crystal Crystal 4. The lateral distance of two structural units 21 of the second photonic crystal 20 is, for example, about half the distance Dl of two adjacent structural units 41 of the first photonic crystal 4.
Die seitliche Reflektorschicht 10 ist bei dem Halbleiterchip gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel auch über die Seitenflächen der Durchmischungsschicht 2 und der aktiven Schicht 1 gezogen. Um die Gefahr eines elektrischen Kurzschlusses der aktiven Schicht 1 durch die seitliche Reflektorschicht 10 zu verringern ist letztere vorliegend vorzugsweise elektrisch isolierend ausgeführt, beispielsweise als dielektrische Spiegelschicht oder sie weist zum Beispiel zumindest eine der aktiven Schicht 1 zugewandte dielektrische Schicht auf. Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst sie jedes neue Merkmal, sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist. The side reflector layer 10 is also pulled over the side surfaces of the intermixing layer 2 and the active layer 1 in the semiconductor chip according to the third embodiment. In order to reduce the risk of an electrical short circuit of the active layer 1 through the lateral reflector layer 10, the latter in the present case is preferably designed to be electrically insulating, for example as a dielectric mirror layer or, for example, has at least one dielectric layer facing the active layer 1. The invention is not limited by the description based on the embodiments of these. Rather, it includes every new feature, as well as any combination of features, which in particular includes any combination of features in the claims, even if this feature or combination itself is not explicitly stated in the claims or exemplary embodiments.

Claims

Patentansprüche claims
1. Strahlungsemittierender Halbleiterchip mit einer Vorderseite (7), die zur Strahlungsauskopplung vorgesehen ist, der in Richtung von einer der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite (8) zur Vorderseite hin folgende Elemente in der angegebenen Reihenfolge aufweist: a) eine aktive Schicht (1) , die zur Emission von elektromagnetischer Strahlung vorgesehen ist, b) eine DurchmischungsSchicht (2) , die Streuelemente (21) zur Streuung der elektromagnetischen Strahlung enthält, c) eine ÜbergangsSchicht (3), die einen Brechungsindex aufweist, der kleiner ist als der Brechungsindex der aktiven Schicht, und d) einen ersten photonischen Kristall (4) .1. A radiation-emitting semiconductor chip having a front side (7), which is provided for radiation decoupling, in the direction from a front side opposite the front side (8) towards the front of the following elements in the order indicated: a) an active layer (1) b) a mixing layer (2) containing scattering elements (21) for scattering the electromagnetic radiation; c) a transition layer (3) having a refractive index smaller than the refractive index of the active layer , and d) a first photonic crystal (4).
2. Halbleiterchip nach Anspruch 1, bei dem der erste photonische Kristall (4) eine ein- oder zweidimensionale laterale Strukturierung aufweist.2. The semiconductor chip according to claim 1, wherein the first photonic crystal (4) has a one- or two-dimensional lateral structuring.
3. Halbleiterchip nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Durchmischungsschicht (2) an die ÜbergangsSchicht (3) und die Übergangsschicht an den ersten photonischen Kristall (4) angrenzt .A semiconductor chip according to claim 1 or 2, wherein the intermixing layer (2) is adjacent to the transition layer (3) and the transition layer is adjacent to the first photonic crystal (4).
4. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Brechungsindex der Übergangsschicht (3) kleiner oder gleich 2 ist.4. The semiconductor chip according to one of the preceding claims, wherein a refractive index of the transition layer (3) is less than or equal to 2.
5. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Teil der Streuelemente (21) von Defekten in der DurchmischungsSchicht (2) gebildet ist. 5. Semiconductor chip according to one of the preceding claims, wherein at least part of the scattering elements (21) of defects in the mixing layer (2) is formed.
6. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Teil der Streuelemente (21) von einer regelmäßig oder unregelmäßig strukturierten Grenzfläche (20) gebildet ist.6. Semiconductor chip according to one of the preceding claims, wherein at least part of the scattering elements (21) is formed by a regularly or irregularly structured interface (20).
7. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Teil der Streuelemente (21) von einem zweiten photonischen Kristall (20) gebildet ist.7. Semiconductor chip according to one of the preceding claims, wherein at least a part of the scattering elements (21) by a second photonic crystal (20) is formed.
8. Halbleiterchip nach Anspruch 7, wobei eine charakteristische Strukturgröße (Dl) des ersten photonischen Kristalls (4) größer ist als eine entsprechende charakteristische Strukturgröße (D2) des zweiten photonischen Kristalls (20) .8. A semiconductor chip according to claim 7, wherein a characteristic feature size (Dl) of the first photonic crystal (4) is greater than a corresponding characteristic feature size (D2) of the second photonic crystal (20).
9. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine charakteristische Strukturgröße (Dl) des ersten photonischen Kristalls (4) kleiner ist als eine Wellenlänge eines Emissionsmaximums der von der aktiven Schicht (1) emittierten elektromagnetischen Strahlung.9. The semiconductor chip according to claim 1, wherein a characteristic structure size of the first photonic crystal is smaller than a wavelength of an emission maximum of the electromagnetic radiation emitted by the active layer.
10. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine charakteristische Strukturgröße (Dl) des ersten photonischen Kristalls (4) größer ist als eine Wellenlänge eines Emissionsmaximums der von der aktiven Schicht (1) emittierten elektromagnetischen Strahlung multipliziert mit dem Kehrwert des Brechungsindex der ÜbergangsSchicht (3).10. Semiconductor chip according to one of the preceding claims, wherein a characteristic structure size (Dl) of the first photonic crystal (4) is greater than a wavelength of an emission maximum of the active layer (1) emitted electromagnetic radiation multiplied by the inverse of the refractive index of the transition layer ( 3).
11. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der aktiven Schicht (1) in Richtung von der Rückseite11. The semiconductor chip according to one of the preceding claims, wherein the active layer (1) in the direction from the back
(8) zur Vorderseite (7) eine rückseitige Reflektorschicht (5) vorausgeht . (8) to the front (7) precedes a rear reflector layer (5).
12. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest auf einen Teilbereich einer Seitenfläche des Halbleiterchips eine seitliche Reflektorschicht (10) aufgebracht ist.12. Semiconductor chip according to one of the preceding claims, wherein at least on a partial region of a side surface of the semiconductor chip, a lateral reflector layer (10) is applied.
13. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ÜbergangsSchicht (3) eine Schichtdicke zwischen 1 um und 10 um hat, wobei die Grenzen eingeschlossen sind.A semiconductor chip according to any one of the preceding claims, wherein the junction layer (3) has a layer thickness of between 1 μm and 10 μm, the boundaries being included.
14. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die ÜbergangsSchicht (3) Saphir, Titandioxid, Siliziumdioxid, ein Siliziumnitrid und/oder ein transparentes leitfähiges Oxid aufweist.14. Semiconductor chip according to one of the preceding claims, in which the transition layer (3) comprises sapphire, titanium dioxide, silicon dioxide, a silicon nitride and / or a transparent conductive oxide.
15. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens 30 % der von der Vorderseite (7) ausgekoppelten elektromagnetischen Strahlung unter einem Winkel (α) von kleiner oder gleich 30° zu einer Flächennormalen (100) einer Haupterstreckungsebene des Halbleiterchips emittiert wird. 15. The semiconductor chip according to claim 1, wherein at least 30% of the electromagnetic radiation coupled out from the front side is emitted at an angle (α) of less than or equal to 30 ° to a surface normal (100) of a main extension plane of the semiconductor chip.
PCT/DE2009/000856 2008-06-27 2009-06-17 Radiation-emitting semiconductor chip WO2009155899A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102008030751.3 2008-06-27
DE102008030751A DE102008030751A1 (en) 2008-06-27 2008-06-27 Radiation-emitting semiconductor chip

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2009155899A1 true WO2009155899A1 (en) 2009-12-30

Family

ID=41203641

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2009/000856 WO2009155899A1 (en) 2008-06-27 2009-06-17 Radiation-emitting semiconductor chip

Country Status (3)

Country Link
DE (1) DE102008030751A1 (en)
TW (1) TWI415296B (en)
WO (1) WO2009155899A1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2230698A1 (en) * 2009-03-17 2010-09-22 LG Innotek Co., Ltd. Light emitting device
US8963120B2 (en) 2009-12-10 2015-02-24 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optoelectronic semiconductor component and photonic crystal
US20160093782A1 (en) * 2013-05-15 2016-03-31 Koninklijke Philips N.V. Led with scattering features in substrate
US9842972B2 (en) 2009-12-21 2017-12-12 Osram Opto Semiconductors Gmbh Radiation-emitting semiconductor component

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019100624A1 (en) * 2019-01-11 2020-07-16 Osram Opto Semiconductors Gmbh OPTOELECTRONIC SEMICONDUCTOR COMPONENT WITH FIRST AND SECOND DIELECTRIC LAYERS AND METHOD FOR PRODUCING THE OPTOELECTRONIC SEMICONDUCTOR COMPONENT

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1387413A2 (en) * 2002-07-29 2004-02-04 Matsushita Electric Works, Ltd. Light emitting diode with enhanced light radiation capability
US20060204865A1 (en) * 2005-03-08 2006-09-14 Luminus Devices, Inc. Patterned light-emitting devices
WO2006120610A1 (en) * 2005-05-12 2006-11-16 Philips Intellectual Property & Standards Gmbh Electroluminescence light source
WO2007055202A1 (en) * 2005-11-08 2007-05-18 Rohm Co., Ltd. Nitride semiconductor light emitting element and method for producing nitride semiconductor light emitting element
US20070284567A1 (en) * 2004-09-10 2007-12-13 Luminus Devices, Inc Polarization recycling devices and methods

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5684309A (en) 1996-07-11 1997-11-04 North Carolina State University Stacked quantum well aluminum indium gallium nitride light emitting diodes
CN1964093B (en) 1997-01-09 2012-06-27 日亚化学工业株式会社 Nitride semiconductor device
US5831277A (en) 1997-03-19 1998-11-03 Northwestern University III-nitride superlattice structures
EP2169733B1 (en) 1997-09-29 2017-07-19 OSRAM Opto Semiconductors GmbH Semiconductor light source
DE19955747A1 (en) 1999-11-19 2001-05-23 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optical semiconductor device with multiple quantum well structure, e.g. LED, has alternate well layers and barrier layers forming super-lattices
US20020017652A1 (en) 2000-08-08 2002-02-14 Stefan Illek Semiconductor chip for optoelectronics
US8163575B2 (en) * 2005-06-17 2012-04-24 Philips Lumileds Lighting Company Llc Grown photonic crystals in semiconductor light emitting devices
DE102006005042A1 (en) * 2006-02-03 2007-08-09 Tridonic Optoelectronics Gmbh Light-emitting device with non-activated phosphor
US7745843B2 (en) * 2006-09-26 2010-06-29 Stanley Electric Co., Ltd. Semiconductor light emitting device

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1387413A2 (en) * 2002-07-29 2004-02-04 Matsushita Electric Works, Ltd. Light emitting diode with enhanced light radiation capability
US20070284567A1 (en) * 2004-09-10 2007-12-13 Luminus Devices, Inc Polarization recycling devices and methods
US20060204865A1 (en) * 2005-03-08 2006-09-14 Luminus Devices, Inc. Patterned light-emitting devices
WO2006120610A1 (en) * 2005-05-12 2006-11-16 Philips Intellectual Property & Standards Gmbh Electroluminescence light source
WO2007055202A1 (en) * 2005-11-08 2007-05-18 Rohm Co., Ltd. Nitride semiconductor light emitting element and method for producing nitride semiconductor light emitting element

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2230698A1 (en) * 2009-03-17 2010-09-22 LG Innotek Co., Ltd. Light emitting device
US8618563B2 (en) 2009-03-17 2013-12-31 Lg Innotek Co., Ltd. Light emitting device with vertically adjustable light emitting pattern
US8963120B2 (en) 2009-12-10 2015-02-24 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optoelectronic semiconductor component and photonic crystal
US9842972B2 (en) 2009-12-21 2017-12-12 Osram Opto Semiconductors Gmbh Radiation-emitting semiconductor component
US20160093782A1 (en) * 2013-05-15 2016-03-31 Koninklijke Philips N.V. Led with scattering features in substrate
US9508908B2 (en) * 2013-05-15 2016-11-29 Koninklijke Philips N.V. LED with scattering features in substrate
US20170358722A1 (en) * 2013-05-15 2017-12-14 Lumileds Llc Led with scattering features in substrate
US9893253B2 (en) 2013-05-15 2018-02-13 Lumileds Llc LED with scattering features in substrate
US10074786B2 (en) 2013-05-15 2018-09-11 Lumileds Llc LED with scattering features in substrate

Also Published As

Publication number Publication date
DE102008030751A1 (en) 2009-12-31
TWI415296B (en) 2013-11-11
TW201010141A (en) 2010-03-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3200247B1 (en) Semiconductor chip and method for manufacturing the same
EP2149159B1 (en) Opto-electronic semiconductor body and method for the production thereof
DE102006051745B4 (en) LED semiconductor body and use of an LED semiconductor body
EP2260516B1 (en) Opto-electronic semiconductor chip and method for producing the same
EP2638575B1 (en) Optoelectronic semiconductor chip and method for producing the same
EP1966836B1 (en) Led semiconductor body and use of an led semiconductor body
EP2519980B1 (en) Light-emitting semiconductor chip
EP3131127B1 (en) Light-emitting diode chip with current spreading layer
DE102019121014A1 (en) FLIP-CHIP TYPE LIGHT-EMITTING DIODE CHIP
EP2122697B1 (en) Radiation emitting semi-conductor body having an electrically conductive contact layer permeable to the emitted radiation
DE202012013620U1 (en) led
DE102007004302A1 (en) Semiconductor chip for light emitting diode, has support with two support surfaces, and semiconductor layer sequence has active area for generation of radiation
EP1845564A2 (en) Radiation emitting body and method for manufacturing a radiation emitting body
EP2191520B1 (en) Light emitting thin-film diode having a mirror layer and method for the production thereof
DE102011055715B4 (en) Light-emitting diode and method for producing the same
EP2067179A1 (en) Led semiconductor body and use of an led semiconductor body
WO2009155899A1 (en) Radiation-emitting semiconductor chip
DE102006017573A1 (en) Opto-electronic semiconductor body, has carrier unit connected with semiconductor layer series, and structured layer provided between active layer and carrier unit and structured with respect to laterally varying dielectric function
EP2193556B1 (en) Radiation-emitting semiconductor chip
EP1665398B1 (en) Radiation-emitting thin-film semiconductor chip
EP2313935A1 (en) Optoelectronic semiconductor chip
DE102008021621A1 (en) Radiation emitting thin film semiconductor chip, has front side reflection layer lying opposite to rear side reflection layer, where distance between rear and front reflection layers is calculated using preset formula
WO2019215212A1 (en) Optoelectronic semiconductor component having a first and a second power distribution structure
DE102005056604A1 (en) Semiconductor body comprises an active semiconductor layer sequence based on a nitride compound semiconductor material which produces electromagnetic radiation and an epitaxially grown coupling layer with openings
DE102022101575A1 (en) PROCESS FOR MANUFACTURING A VARIETY OF OPTOELECTRONIC SEMICONDUCTOR CHIPS AND OPTOELECTRONIC SEMICONDUCTOR CHIP

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 09768823

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2009768823

Country of ref document: EP

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 09768823

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1