WO2012130499A1 - Halbleiterchip, display mit einer mehrzahl von halbleiterchips und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Halbleiterchip, display mit einer mehrzahl von halbleiterchips und verfahren zu deren herstellung Download PDF

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WO2012130499A1
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semiconductor
radiation
active layer
layer
semiconductor chip
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Norwin Von Malm
Alexander Linkov
Norbert Linder
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to an optoelectronic
  • Semiconductor chip comprising a semiconductor body, a display with a plurality of semiconductor chips and method for their preparation.
  • Imaging elements for example, an LCD (liquid crystal display) or a DLP (digital light processor) find application.
  • the imaging elements for example, an LCD (liquid crystal display) or a DLP (digital light processor) find application.
  • a combination of such semiconductor chips with the imaging elements is inefficient due to optical losses and requires a large component height in the direction of the beam path.
  • More efficient and compact is the approach to realize semiconductor chips and imaging element in one component.
  • this disadvantageously results in the problem that radiation from an emitting semiconductor chip enters an adjacent, optionally switched-off semiconductor chip and is coupled out there. This disadvantageously decreases the contrast of such components.
  • the semiconductor chip has a
  • Semiconductor body has a provided for generating radiation active layer.
  • the mirror layer is arranged on the side of the semiconductor body which faces away from the coupling-out surface. The distance between the active layer and the mirror layer is adjusted such that a radiation emitted by the active layer in the direction of the decoupling surface is reflected by a mirror layer that is reflected by the mirror layer
  • Radiation interferes such that the semiconductor chip has a radiation characteristic of the emitted radiation in a preferred direction in the forward direction.
  • Mirror layer may be a metal layer, for Example from silver, act.
  • the decoupling surface and / or the mirror layer may be flat.
  • An optoelectronic semiconductor chip is, in particular, a semiconductor chip which enables the conversion of electronically generated data or energies into light emission or
  • the emission characteristic describes the angular dependence of the light intensity with respect to the intensity in one
  • the main emission direction is the vertical direction in relation to the lateral extent of the active layer or of the semiconductor chip.
  • the distance of the active layer to the active layer is the distance of the active layer to the active layer.
  • Mirror layer configured so that the radiation emission of the semiconductor chip is directed more in the forward direction, ie amplified in the direction of the main emission, in particular vertical to the lateral extent of the active layer.
  • the distance between the active layer and the mirror layer is adjusted so that the
  • Radiation intensity in the forward direction is maximum.
  • the radiation emission laterally to the active layer or to the semiconductor chip is thereby reduced due to the set distance, preferably prevented.
  • the semiconductor chip thus has no Lambert's emission characteristic.
  • Such an orientation is also known to the person skilled in the art under the term "beamshaping".
  • the preferred direction in the forward direction is generated inter alia by resonance.
  • an intensity distribution is formed, which is advantageously a Radiation emission of the semiconductor chip in the forward direction allows, ie in the direction perpendicular to the lateral
  • Semiconductor body is arranged, which has a refractive index which is smaller than the refractive index of
  • the semiconductor chip is not a laser but a laser
  • the radiation emitted from the semiconductor chip becomes
  • the active layer preferably decoupled essentially by the coupling-out surface of the semiconductor chip.
  • 80% of the radiation emitted in the active layer becomes, especially
  • the mirror layer can preferably also serve as a p-contact of the semiconductor chip.
  • the n-contact of the semiconductor chip can preferably also serve as a p-contact of the semiconductor chip.
  • the n-contact is electrical
  • the n-contact is preferably one
  • radiation-transmissive layer for example having TCO, or formed as a metal grid contact.
  • the decoupling surface has a
  • the semiconductor body has a main surface which is opposite to the
  • Decoupling surface is preferably centrally in the
  • Main surface arranged. This means in particular that substantially no radiation is coupled out in edge regions of the main surface, which are arranged next to the decoupling surface. Preferably, at edge regions, at most 10% of the radiation emitted by the active layer is coupled out.
  • the semiconductor chip accordingly has a main area which has a plurality of areas, so-called pixels.
  • a pixel comprises, for example, the decoupling surface, wherein laterally adjacent to the
  • P2 P i * (d] d 3) * tan (asin (n 2 / n] _)) + d 2 * tan (c ⁇ 2), where p ] _ is the half-size of the energized active layer, P2 is the half-size of the outcoupling surface, d ] _ the height of the
  • Refractive index of the potting material are, with 0 ⁇ c ⁇ 2 ⁇ 90 °.
  • the half size corresponds to half the lateral
  • the optimum minimum half-size of the associated one may be
  • Decoupling surface P2 can be calculated by the above formula.
  • the contrast of the semiconductor chip is limited, inter alia, by an indeterminacy of d2 * tan (c ⁇ 2), since at a large angle c ⁇ 2 the tan (0: 2) approaches infinity. This means that the contrast can not be arbitrarily large, since always a portion of the radiation adjacent to
  • Outcoupling surface is coupled out.
  • a Bragg mirror is arranged between the active layer and the decoupling surface.
  • the Bragg mirror preferably consists of ⁇ / 4 layers, for example five ⁇ / 4 layers.
  • the Bragg mirror Al x Ga (] _- x) N and GaN layers comprises.
  • the arranged Bragg mirror advantageously increases the beamshaping effect and thus the efficiency of the semiconductor chip significant.
  • the Bragg mirror amplifies the radiation emission in the forward direction.
  • the decoupling surface and the semiconductor body have a vertical axis of symmetry, wherein preferably the
  • the Bragg mirror is advantageously arranged such that a
  • the Bragg mirror coincides with the axis of symmetry of the active layer and the axis of symmetry of the decoupling surface.
  • the Bragg mirror is preferably in
  • the semiconductor body is free of a mirror, such as the Bragg mirror.
  • the active layer there is then between the active layer and the
  • a reflectivity of the decoupling surface may then be, for example, between 20% and 60% inclusive, or between 25% and 50% inclusive. Such a low reflectivity is in particular by the
  • the conversion layer preferably comprises a transparent ceramic or
  • the conversion layer has no scattering centers such as converter particles.
  • the conversion layer has a matrix material therein
  • Refractive index of the converter particles and the refractive index of the matrix material are the same, so that no scattering centers are formed by the converter particles.
  • the conversion layer is suitable for radiation emitted by the active layer into radiation of another
  • Wavelength convert the conversion layer can be designed such that a full conversion takes place.
  • full conversion is meant, in particular, that the conversion layer occupies most of the active
  • the conversion layer is designed such that only part of the radiation emitted by the active layer is converted into radiation of a different wavelength, so that the chip emits mixed radiation of converted radiation and of radiation emitted by the active layer.
  • the conversion layer has a different refractive index from the casting material.
  • the refractive index of the conversion layer is preferably matched to the refractive index of the semiconductor material. This means that the refractive index of the conversion layer is approximated to the refractive index of the semiconductor body.
  • the deviation between refractive index of the conversion layer and refractive index of the semiconductor body is as small as possible, preferably smaller than 10%. At the interface between potting material and conversion layer thus also occur Fresnel reflections, whereby reflected light back into the
  • Semiconductor body is reflected, reflected there at the mirror layer and is then coupled out via the main surface.
  • the semiconductor chip is an LED, preferably a thin-film LED.
  • a thin-film LED is viewed in the context of the application, an LED, during which
  • Semiconductor body was epitaxially grown, preferably completely detached.
  • the semiconductor body in particular the semiconductor material, is preferably based on InGaN, InGaAlP or InAlGaAs.
  • the semiconductor chip has no
  • Conversion layer connected directly to the semiconductor body, for example by direct bonding of the semiconductor body and the conversion layer.
  • the decoupling surface has a lateral extent in a range between 100 nm inclusive and 100 ⁇ inclusive.
  • Decoupling surface in a range between 2 ⁇ and 10 ⁇ inclusive.
  • a display has a plurality of above-mentioned semiconductor chips, which are arranged laterally next to one another.
  • the semiconductor chips are laterally juxtaposed on a common carrier substrate arranged.
  • the semiconductor chips are preferably arranged next to each other without spacing.
  • areas may be arranged between the semiconductor chips, the active layer of which is not energized during operation, so that no radiation is generated in these areas during operation.
  • a display with such semiconductor chips is characterized in particular by an increased contrast. This increased contrast can be achieved in that the individual semiconductor chips of the display each one
  • the plurality of semiconductor chips has a common semiconductor body.
  • the semiconductor body has an active layer which is laterally spaced from one another and energized during operation
  • the semiconductor body contains semiconductor material, which is not energized in operation.
  • the energized areas of the active layer and the decoupling surfaces are adjacent
  • Semiconductor chips each arranged at a lateral distance from each other.
  • each semiconductor chip or each region of a semiconductor chip a potting material, wherein in areas between the individual
  • Potting material is arranged, but in this area the gas is trapped.
  • Semiconductor chips each arranged an absorber layer.
  • the semiconductor body thus has between the energized
  • the absorber layer and the gas-filled recess are arranged vertically one above the other, wherein between the absorber layer and the recess
  • Semiconductor material of the semiconductor body is arranged.
  • This semiconductor material is not energized during operation. Eliminate the recess and the absorber layer
  • Semiconductor chip is emitted in the direction of an adjacent semiconductor chip. Due to the strong refractive index jump between semiconductor material and gas, the rays emitted in the direction of the neighboring chip are totally reflected at the recess and subsequently in the absorber layer absorbed. As a result, these beams can advantageously no longer be decoupled from the neighboring chips, so that the contrast of such displays advantageously increases.
  • the conversion layer has a plurality of regions which are suitable for radiation emitted by the active layer into radiation
  • the latter accordingly has a plurality of regions which are suitable for irradiating the radiation emitted by the active layer into radiation
  • a first region is formed so that the radiation emitted by the active layer is converted into red radiation
  • a second region is formed such that the radiation emitted by the active layer is converted into green radiation
  • a third region is formed, this radiation to pass unchanged or to convert to yellow radiation.
  • a region of the conversion layer is arranged downstream of a semiconductor chip, so that, for example, a matrix-like arrangement of the different regions of the conversion layer is formed in plan view of the display.
  • the emission color of the emitted radiation from the chip can be changed.
  • a method for producing a semiconductor chip comprises the following method steps:
  • Mirror layer is adjusted such that a radiation emitted by the active layer in the direction of a decoupling surface with a reflected at the mirror layer
  • Radiation interferes, so that a radiation characteristic of the emitted radiation of the semiconductor chip with a
  • Preferred direction is generated in the forward direction.
  • the method comprises the further method step:
  • a display which comprises a plurality of semiconductor chips, which are produced by the above-mentioned methods.
  • Figure 1 is a schematic cross section of a
  • Figures 2A to 2C each show a schematic diagram
  • Figures 3, 4 each have a schematic cross section of a
  • FIG. 1 shows a semiconductor chip 100 which has a semiconductor body 6 and a semiconductor body 6 arranged thereon
  • Potting material 7 comprises.
  • the semiconductor chip 100 is
  • an LED preferably a thin-film LED.
  • the semiconductor body 6 is made of semiconductor material
  • the semiconductor body has one for generating radiation
  • the part of the active layer to be energized during operation does not extend over the entire lateral area
  • Expansion of the semiconductor body 6, but is centered in the semiconductor layers of the semiconductor body 6 is arranged. This means that, when viewed on top of the semiconductor chip 100, the semiconductor body has a central energized region during operation in which radiation is generated, with adjacent edge regions of the chip 100 not being energized during operation.
  • the semiconductor body 6 comprises epitaxially deposited layers which form the semiconductor body, the active layer 2 being integrated in these layers.
  • the semiconductor body 6 has a main surface on which potting material 7 is arranged. On the one of the potting material 7 is arranged. On the one of the potting material 7 is arranged. On the one of the potting material 7 is arranged. On the one of the potting material 7 is arranged. On the one of the potting material 7 is arranged. On the one of the potting material 7 is arranged. On the one of the potting material 7 is arranged. On the one of the one of the semiconductor body 6
  • Potting material 7 side facing away from the semiconductor body 6 is a mirror layer 1 is arranged.
  • the potting material has a refractive index which is smaller than the refractive index of the semiconductor material of the semiconductor body 6
  • Potting material silicone is arranged as a layer on the main surface of the semiconductor body 6.
  • the Side surfaces of the semiconductor body 6 are preferably free of potting material 7.
  • the mirror layer 1 is suitable, that of the active
  • Layer 2 emitted radiation towards the main surface to emit. Light emerging from the semiconductor chip 100 is thereby directly from the active layer 2 in the direction
  • Forward direction amplified preferably maximum.
  • the semiconductor chip 100 advantageously has a decoupling surface 9, from which most of the radiation emitted in the active layer 2 from the radiation
  • the decoupling surface 9 is centered in the semiconductor chip 100 is arranged, so that the semiconductor chip 100 in plan view of the semiconductor chip in the central region has the decoupling surface 9, which is adjacent to areas 10, which barely or no radiation is coupled out of the semiconductor chip.
  • the optimum minimum half-size of the associated one may be
  • Decoupling area P2 can be calculated by the following formula:
  • Potting material 7 where c ⁇ 2 between 0 and 90 °, or between 20 ° and 60 ° inclusive.
  • the distance d is, for example, between 50 nm and 130 nm inclusive, or between 75 nm and 75 nm inclusive
  • the distance d is 0.5 n ] _ ⁇ , where ⁇ is a main wavelength emitted by the semiconductor chip.
  • the refractive index n] _ may for example be comprised between 2.2 and 2.7 and the refractive index n2 for example of between 1.3 and 1.75.
  • Potting material 7 a conversion layer 8 is arranged, which is suitable for the radiation emitted by the active layer 2 radiation in radiation of a different wavelength
  • the conversion layer has a
  • Refractive index n] _ Fresnel reflections occur at the boundary surfaces between the semiconductor material 6 and the potting material 7 and between the potting material 7 and the conversion layer 8, so that reflected light passes back into the semiconductor body 6 and there on the mirror layer 1 in the direction
  • Outcoupling surface is reflected.
  • a Bragg mirror 11 can be integrated between active layer 2 and outcoupling surface 9 in the semiconductor body 6.
  • the Bragg mirror 11 has, for example five ⁇ / 4 layers of Al x Ga (] __ x) N and GaN.
  • the decoupling surface 9, the Bragg mirror 11 and the active layer 2 are preferably centered in the semiconductor chip 100.
  • Semiconductor chips 100 has the radiation characteristic of such a chip in comparison with conventional chips increased efficiency and improved contrast.
  • the contrast is the ratio of the radiation emitted during operation from the decoupling surface 9 and the radiation emitted during operation from adjacent regions 10. In adjacent regions 10, little or no radiation is coupled out of the semiconductor chip 100.
  • the lateral extent of the decoupling surface 9 can lie in a range between 100 nm to 100 ⁇ , preferably between 2 ⁇ and 10 ⁇ .
  • the semiconductor chip 100 may find application in one
  • FIG. 2A shows a diagram in which the efficiency of the total emission from the decoupling surface as a function of the distance d is shown.
  • this diagram refers to a semiconductor chip 100 according to the
  • the curve A ] _ from FIG. 2A shows that the coupling-out efficiency from the decoupling surface is directly dependent on the distance between the active layer and the mirror layer.
  • the coupling-out efficiency has a maximum value at a distance of 90 nm, preferably with a tolerance of at most 10% or at most 5%.
  • the decoupling efficiency decreases from the decoupling surface. This means that, in the regions above and below a distance of 90 nm, a portion of the radiation emitted by the active layer is coupled out in adjacent regions to the coupling-out surface. However, this radiation adversely reduces the contrast of such chips, which is particularly disadvantageous in display applications.
  • the curve A ] _ shows a semiconductor chip 100 according to FIG.
  • FIG. 2B shows a diagram in which the contrast, that is to say the proportion of the total power in adjacent regions to the outcoupling surface, is shown against the distance d between the active layer and the mirror layer.
  • the curve A2 advantageously increases at higher
  • the curve A2 of the diagram of Figure 2B in turn relates to a semiconductor chip according to the embodiment of Figure 1, but in which no Bragg mirror in
  • a semiconductor body is integrated.
  • Data point is represented by point B2.
  • a semiconductor chip with an integrated Bragg mirror shows an average contrast.
  • FIG. 2C shows a diagram in which the
  • the curves A3 to A7 are based on semiconductor chips without integrated Bragg mirror, while the curve B3 is based on a semiconductor chip with integrated Bragg mirror.
  • the curve A3 is based on a distance d3 of 100 nm, the curve A4 of 90 nm, the curve A5 of 80 nm, the curve Ag of 70 nm and the curve A7 of 110 nm.
  • the curves with a large distance between active layer and mirror layer So the curves A3 and A4 show a low efficiency at an angle of 0 °.
  • curves Ag and A5 show high efficiency at 0 °. At such distances thus results in a radiation characteristic with preferred direction in the forward direction, ie in the direction of 0 °. High efficiency can also be achieved with a chip with integrated Bragg mirror, see curve B3.
  • FIG. 3 shows a display 1000 which has a plurality of semiconductor chips 100 which are arranged laterally next to one another.
  • the semiconductor chips 100 correspond in the
  • the semiconductor chips 100 of the display 1000 have a common semiconductor body 6. This means that the semiconductor chips 100 together in a composite on a
  • Has areas that are energized during operation In each case, a lateral distance is arranged between the regions of the active layer energized during operation, so that the composite has regions which do not generate any radiation during operation.
  • the display 1000 has a plurality of outcoupling surfaces 9, 10, which are each arranged at a lateral distance from each other.
  • Each active layer is in
  • each semiconductor chip 100 For each will the distance between active layer 2 and mirror layer 1 of each semiconductor chip 100 optimally adjusted, as discussed in the embodiment of Figure 1. In order nevertheless to radiation emitted into a neighboring semiconductor chip
  • an absorber layer 13 may be arranged between the semiconductor chips in the potting material 7, a gas-filled recess 12 and in the semiconductor body 6 between the energized in operation areas of the active layer 2, an absorber layer 13 may be arranged. Due to the strong refractive index jump between semiconductor material and gas, the beams 14 emitted in the direction of the adjacent semiconductor chip are totally reflected at the recess 12 and absorbed in the absorber layer 13. These beams can thus not be decoupled from adjacent semiconductor chips, which advantageously the
  • the absorber layer 13 and the recess 12 are arranged vertically one above the other.
  • the absorber layer 13 can be directly adjacent to the mirror layer 1 in
  • Semiconductor body 6 may be arranged.
  • FIG. 3 is the same as the embodiment of FIG. 1 with respect to FIG.
  • the conversion layer 8 of the display 1000 has a plurality of regions Ki, K 2 , which are suitable emitted from the active layer 2
  • Each region of the active layer 2 to be energized during operation is a
  • Each area preferably emits a differently converted one
  • Wavelength compared to the other areas so that, for example, an RGB display 1000 can be realized with advantage.
  • FIG. 4 substantially coincides with the exemplary embodiment of FIG.
  • FIG. 5 shows a flow chart for producing a
  • a semiconductor body made of semiconductor material is provided, which has an active layer provided for generating radiation.
  • a mirror layer is arranged on the semiconductor body. In this case, the distance between the active layer and the mirror layer is adjusted such that one of the active layer in the direction of a coupling-out surface of the semiconductor body
  • the invention is not limited by the description based on the embodiments of these, but includes each new feature and any combination of features, which in particular any combination of features in the

Abstract

Es wird ein optoelektronischer Halbleiterchip (100) angegeben, der einen Halbleiterkörper (6) aus Halbleitermaterial, eine dem Halbleiterkörper in Abstrahlrichtung nachgeordnete Auskoppelfläche (9) und eine Spiegelschicht (1) aufweist. Der Abstand zwischen aktiver Schicht (2) und Spiegelschicht (1) ist derart eingestellt, dass eine von der aktiven Schicht (2) in Richtung der Auskoppelfläche (9) emittierte Strahlung mit einer an der Spiegelschicht (1) reflektierten Strahlung so interferiert, dass der Halbleiterchip (100) eine Abstrahlcharakteristik der emittierten Strahlung mit einer Vorzugsrichtung in Vorwärtsrichtung aufweist. Weiter wird ein Display (1000) mit einer Mehrzahl von derartigen Halbleiterchips (100) angegeben. Weiter werden Verfahren zu deren Herstellung angegeben.

Description

Beschreibung
Halbleiterchip, Display mit einer Mehrzahl von
Halbleiterchips und Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen
Halbleiterchip aufweisend einen Halbleiterkörper, ein Display mit einer Mehrzahl von Halbleiterchips und Verfahren zu deren Herstellung .
Halbleiterchips zur Anwendung bei beispielsweise Beamer oder Projektoren, die mit einem bildgebenden Element verbunden werden, sind bereits bekannt, wobei als bildgebende Elemente beispielsweise ein LCD (liquid crystal display) oder ein DLP (digital light processor) Anwendung finden. Eine Kombination derartiger Halbleiterchips mit den bildgebenden Elementen ist jedoch durch optische Verluste ineffizient und benötigt eine große Bauteilhöhe in Richtung des Strahlengangs. Effizienter und kompakter ist der Ansatz, Halbleiterchips und bildgebendes Element in einem Bauteil zu realisieren. Dabei ergibt sich jedoch nachteilig das Problem, dass Strahlung aus einem emittierenden Halbleiterchip in einen benachbarten gegebenenfalls ausgeschalteten Halbleiterchip gelangt und dort ausgekoppelt wird. Dadurch sinkt nachteilig der Kontrast derartiger Bauteile.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, einen
Halbleiterchip anzugeben, bei dem eine Strahlungsauskopplung in lateraler Richtung vermieden wird, wodurch sich
vorteilhafterweise eine erhöhte Effizienz in Vorwärtsrichtung ergibt. Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, ein Display mit einer Mehrzahl von Halbleiterchips anzugeben, bei dem ein Einkoppeln emittierter Strahlung eines
Halbleiterchips in einen benachbarten Halbleiterchip
vermieden wird, sodass sich das Display durch einen
verbesserten Kontrast auszeichnet. Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, ein Herstellungsverfahren für einen derartigen Halbleiterchip und für ein derartiges Display anzugeben .
Diese Aufgaben werden unter anderem durch einen
Halbleiterchip mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Display mit den Merkmalen des Anspruchs 8, ein Verfahren zum
Herstellen eines Halbleiterchips mit den Merkmalen des
Anspruchs 14 und ein Verfahren zum Herstellen eines Displays mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen des Halbleiterchips, des Displays und der
Verfahren zu deren Herstellung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche .
In einer Aus führungs form weist der Halbleiterchip einen
Halbleiterkörper aus Halbleitermaterial, eine dem
Halbleiterkörper in Abstrahlrichtung nachgeordnete
Auskoppelfläche und eine Spiegelschicht auf, wobei der
Halbleiterkörper eine zur Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Schicht aufweist. Die Spiegelschicht ist auf der der Auskoppelfläche abgewandten Seite des Halbleiterkörpers angeordnet. Der Abstand zwischen der aktiven Schicht und der Spiegelschicht ist derart eingestellt, dass eine von der aktiven Schicht in Richtung der Auskoppelfläche emittierte Strahlung mit einer an der Spiegelschicht reflektierten
Strahlung derart interferiert, dass der Halbleiterchip eine Abstrahlcharakteristik der emittierten Strahlung mit einer Vorzugsrichtung in Vorwärtsrichtung aufweist. Bei der
Spiegelschicht kann es sich um eine Metallschicht, zum Beispiel aus Silber, handeln. Die Auskoppelfläche und/oder die Spiegelschicht können eben geformt sein.
Ein optoelektronischer Halbleiterchip ist insbesondere ein Halbleiterchip, der die Umwandlung von elektronisch erzeugten Daten oder Energien in Lichtemission ermöglicht oder
umgekehrt. Beispielsweise ist der optoelektronische
Halbleiterchip ein strahlungsemittierender Halbleiterchip. Die Abstrahlcharakteristik beschreibt die Winkelabhängigkeit der Lichtintensität bezogen auf die Intensität in einer
Hauptabstrahlrichtung. Die Hauptabstrahlrichtung ist dabei die vertikale Richtung bezogen auf die laterale Ausdehnung der aktiven Schicht beziehungsweise des Halbleiterchips.
Vorliegend wird der Abstand der aktiven Schicht zur
Spiegelschicht so ausgestaltet, dass die Strahlungsemission des Halbleiterchips stärker in Vorwärtsrichtung gerichtet wird, also verstärkt in Richtung Hauptabstrahlrichtung, insbesondere vertikal zur lateralen Ausdehnung der aktiven Schicht. Bevorzugt ist der Abstand zwischen aktiver Schicht und Spiegelschicht so eingestellt, dass die
Strahlungsintensität in Vorwärtsrichtung maximal wird. Die Strahlungsemission seitlich zur aktiven Schicht oder zum Halbleiterchip ist aufgrund des eingestellten Abstandes dabei reduziert, bevorzugt unterbunden. Der Halbleiterchip weist also keine Lambert 'sehe Abstrahlcharakteristik auf. Eine derartige Ausrichtung ist dem Fachmann auch unter dem Begriff „Beamshaping" bekannt.
Die Vorzugsrichtung in Vorwärtsrichtung wird unter anderem durch Resonanz erzeugt. Im Halbleiterkörper bildet sich eine Intensitätsverteilung aus, die vorteilhafterweise eine Strahlungsemission des Halbleiterchips in Vorwärtsrichtung ermöglicht, also in Richtung senkrecht zur lateralen
Ausdehnung des Halbleiterchips, insbesondere in
Hauptabstrahlrichtung .
In einer Weiterbildung ist ein Vergussmaterial auf dem
Halbleiterkörper angeordnet ist, das einen Brechungsindex aufweist, der kleiner ist als der Brechungsindex des
Halbleitermaterials. Ein Brechungsindexsprung an der
Auskoppelfläche des Halbleiterkörpers ist also
vergleichsweise klein.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form handelt es sich bei dem Halbleiterchip nicht um einen Laser sondern um eine
Leuchtdiode. Insbesondere um eine sogenannte Resonant Cavity- Leuchtdiode oder kurz RC-LED. Eine Kohärenzlänge der
emittierten Strahlung ist dann vergleichsweise klein.
Die aus dem Halbleiterchip emittierte Strahlung wird
vorzugsweise im Wesentlichen durch die Auskoppelfläche des Halbleiterchips ausgekoppelt. Vorzugsweise wird 80 % der in der aktiven Schicht emittierten Strahlung, besonders
bevorzugt 90 % der von der aktiven Schicht emittierten
Strahlung durch die Auskoppelfläche aus dem Halbleiterchip ausgekoppelt.
Die Spiegelschicht kann vorzugsweise zudem als p-Kontakt des Halbleiterchips dienen. Die n-Kontaktierung des
Halbleiterchips kann dabei ebenfalls an der von der
Auskoppelfläche gegenüberliegenden Seite des Halbleiterchips erfolgen. Beispielsweise ist der n-Kontakt elektrisch
isoliert an der vom Halbleiterchip abgewandten Seite der Spiegelschicht angeordnet und mittels elektrisch isolierten Durchbrüchen, sogenannten Vias, durch den Spiegel zur n-Seite des Halbleiterchips geführt. Alternativ kann der n-Kontakt auf der Auskoppelseite des Halbleiterchips zwischen
Halbleiterkörper und Vergussmaterial angeordnet sein. In diesem Fall ist der n-Kontakt bevorzugt eine
strahlungsdurchlässige Schicht, beispielsweise aufweisend TCO, oder als Metallgitterkontakt ausgebildet.
In einer Weiterbildung weist die Auskoppelfläche eine
laterale Ausdehnung auf, die kleiner ist als eine laterale
Ausdehnung des Halbleiterkörpers. Der Halbleiterkörper weist insbesondere eine Hauptfläche auf, die gegenüber der
Spiegelschicht angeordnet ist, wobei die Hauptfläche
bereichsweise die Auskoppelfläche umfasst. Die
Auskoppelfläche ist dabei vorzugsweise zentral in der
Hauptfläche angeordnet. Das bedeutet insbesondere, dass in Randbereichen der Hauptfläche, die neben der Auskoppelfläche angeordnet sind, im Wesentlichen keine Strahlung ausgekoppelt wird. Vorzugsweise wird in Randbereichen höchstens 10 % der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung ausgekoppelt.
In Aufsicht auf den Halbleiterchip weist der Halbleiterchip demnach eine Hauptfläche auf, die eine Mehrzahl von Bereichen aufweist, so genannte Pixel. Ein Pixel umfasst beispielsweise die Auskoppelfläche, wobei lateral angrenzend an die
Auskoppelfläche benachbarte Pixel angeordnet sind, durch die vorteilhafterweise keine oder kaum Strahlung ausgekoppelt wird . In einer Weiterbildung gilt folgende Formel:
P2=Pi* (d]_-d3 ) *tan(asin(n2/n]_) )+ d2* tan (c<2 ) , wobei p]_ die Halbgröße der bestromten aktiven Schicht, P2 die Halbgröße der Auskoppelfläche, d]_ die Höhe des
Halbleiterkörpers, d2 die Höhe des Vergussmaterials, d der Abstand zwischen aktiver Schicht und Spiegelschicht, n]_ der Brechungsindex des Halbleitermaterials und 112 der
Brechungsindex des Vergussmaterials sind, mit 0 < c<2 < 90°.
Die Halbgröße entspricht dabei der halben lateralen
Ausdehnung .
Wenn die bestromte aktive Schicht eine Halbgröße p]_ hat, dann kann die optimale minimale Halbgröße der zugehörigen
Auskoppelfläche P2 durch oben genannte Formel berechnet werden. Der Kontrast des Halbleiterchips wird begrenzt unter anderem durch eine Unbestimmtheit von d2*tan(c<2), da bei großem Winkel c<2 der tan (0:2) gegen Unendlich geht. Das bedeutet, dass der Kontrast nicht beliebig groß werden kann, da immer ein Teil der Strahlung benachbart zur
Auskoppelfläche ausgekoppelt wird. Daneben gibt es an den Grenzflächen zwischen dem Material des Halbleiterkörpers und dem Vergussmaterial Fresnelreflexionen, sodass reflektiertes Licht in den Halbleiterkörper zurückreflektiert wird, dort an der Spiegelschicht reflektiert wird, und so durch Bereiche ausgekoppelt wird, die benachbart der Auskoppelfläche liegen.
In einer Weiterbildung ist zwischen der aktiven Schicht und der Auskoppelfläche ein Bragg-Spiegel angeordnet.
Vorzugsweise besteht der Bragg-Spiegel aus λ/4-Schichten, beispielsweise fünf λ/4-Schichten . Bevorzugt umfasst der Bragg-Spiegel AlxGa ( ]_-x) N- und GaN-Schichten . Der so
angeordnete Bragg-Spiegel erhöht mit Vorteil den Beamshaping- Effekt und damit die Effizienz des Halbleiterchips signifikant. Insbesondere verstärkt der Bragg-Spiegel die Strahlungsemission in Vorwärtsrichtung.
Der Bragg-Spiegel ermöglicht vorteilhafterweise eine
Intensitätserhöhung für die Strahlen, die in Vorwärtsrichtung emittiert werden und eine Intensitätserniedrigung für die Strahlen, die in lateraler Richtung emittiert werden.
Die Auskoppelfläche und der Halbleiterkörper weisen eine vertikale Symmetrieachse auf, wobei bevorzugt die
Symmetrieachse der aktiven Schicht und die Symmetrieachse der Auskoppelfläche direkt übereinander liegen. Der Bragg-Spiegel ist vorteilhafterweise derart angeordnet, dass eine
Symmetrieachse des Bragg-Spiegels mit der Symmetrieachse der aktiven Schicht und der Symmetrieachse der Auskoppelfläche übereinstimmt. Der Bragg-Spiegel ist vorzugsweise im
Halbleiterkörper integriert.
In einer alternativen Weiterbildung ist der Halbleiterkörper frei von einem Spiegel wie dem Bragg-Spiegel. Insbesondere befindet sich dann zwischen der aktiven Schicht und der
Auskoppelfläche keine zu einer Reflexion eingerichtete
Zwischenschicht. Eine Reflektivität der Auskoppelfläche kann dann zum Beispiel zwischen einschließlich 20 % und 60 % oder zwischen einschließlich 25 % und 50 % liegen. Eine solch geringe Reflektivität ist insbesondere durch das
Vergussmaterial realisierbar.
In einer Weiterbildung ist auf der dem Halbleiterkörper abgewandten Seite des Vergussmaterials eine
Konversionsschicht aufgebracht. Die Konversionsschicht umfasst vorzugsweise eine transparente Keramik oder
Halbleitermaterial, beispielsweise II/VI-Halbleitermaterial . Vorzugsweise weist die Konversionsschicht keine Streuzentren wie beispielsweise Konverterpartikel auf. Alternativ weist die Konversionsschicht ein Matrixmaterial mit darin
eingebetteten Konverterpartikeln auf, wobei der
Brechungsindex der Konverterpartikel und der Brechungsindex des Matrixmaterials gleich sind, sodass keine Streuzentren durch die Konverterpartikel ausgebildet werden.
Die Konversionsschicht ist geeignet, eine von der aktiven Schicht emittierte Strahlung in Strahlung einer anderen
Wellenlänge umzuwandeln. Dabei kann die Konversionsschicht derart ausgebildet sein, dass eine Vollkonversion erfolgt. Unter Vollkonversion ist insbesondere zu verstehen, dass die Konversionsschicht den größten Teil der von der aktiven
Schicht emittierten Strahlung in Strahlung einer anderen Wellenlänge umwandelt, sodass der Chip im Wesentlichen nur konvertierte Strahlung emittiert. Alternativ erfolgt eine partielle Konversion. Unter partieller Konversion ist
insbesondere zu verstehen, dass die Konversionsschicht derart ausgebildet ist, dass lediglich ein Teil der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung in Strahlung einer anderen Wellenlänge umgewandelt wird, sodass der Chip Mischstrahlung aus konvertierter Strahlung und von der aktiven Schicht emittierter Strahlung emittiert.
Die Konversionsschicht weist einen vom Vergussmaterial unterschiedlichen Brechungsindex auf. Vorzugsweise ist der Brechungsindex der Konversionsschicht an den Brechungsindex des Halbleitermaterials angepasst. Das bedeutet, dass der Brechungsindex der Konversionsschicht angenähert ist an den Brechungsindex des Halbleiterkörpers. Die Abweichung zwischen Brechungsindex der Konversionsschicht und Brechungsindex des Halbleiterkörpers ist möglichst gering, vorzugsweise kleiner als 10 %. An der Grenzfläche zwischen Vergussmaterial und Konversionsschicht treten somit ebenfalls Fresnel-Reflexionen auf, wodurch reflektiertes Licht zurück in den
Halbleiterkörper reflektiert wird, dort an der Spiegelschicht reflektiert wird und anschließend über die Hauptfläche ausgekoppelt wird.
In einer Weiterbildung ist der Halbleiterchip eine LED, vorzugsweise eine Dünnfilm-LED. Als Dünnfilm-LED wird im Rahmen der Anmeldung eine LED angesehen, während deren
Herstellung das Aufwachssubstrat, auf dem der
Halbleiterkörper epitaktisch aufgewachsen wurde, vorzugsweise vollständig abgelöst ist.
Der Halbleiterkörper, insbesondere das Halbleitermaterial, basiert vorzugsweise auf InGaN, InGaAlP oder InAlGaAs .
In einer Aus führungs form weist der Halbleiterchip kein
Vergussmaterial auf. In diesem Fall ist die
Konversionsschicht direkt mit dem Halbleiterkörper verbunden, beispielsweise mittels Direktbonden des Halbleiterkörpers und der Konversionsschicht.
Die Auskoppelfläche weist eine laterale Ausdehnung in einem Bereich zwischen einschließlich 100 nm bis einschließlich 100 μπι auf. Bevorzugt liegt die laterale Ausdehnung der
Auskoppelfläche in einem Bereich zwischen einschließlich 2 μπι und 10 μπι .
In einer Aus führungs form weist ein Display eine Mehrzahl von oben genannten Halbleiterchips auf, die lateral nebeneinander angeordnet sind. Beispielsweise sind die Halbleiterchips lateral nebeneinander auf einem gemeinsamen Trägersubstrat angeordnet. Die Halbleiterchips sind dabei vorzugsweise ohne Abstand nebeneinander angeordnet. Alternativ können zwischen den Halbleiterchips Bereiche angeordnet sein, deren aktive Schicht im Betrieb nicht bestromt wird, sodass in diesen Bereichen im Betrieb keine Strahlung erzeugt wird.
Die in Verbindung mit dem Halbleiterchip genannten Merkmale gelten auch für das Display und umgekehrt. Ein Display mit derartigen Halbleiterchips zeichnet sich insbesondere durch einen erhöhten Kontrast aus. Dieser erhöhte Kontrast kann dadurch erzielt werden, dass die einzelnen Halbleiterchips des Displays jeweils eine
Abstrahlcharakteristik mit Vorzugsrichtung in
Vorwärtsrichtung aufweisen, sodass lediglich höchstens ein geringer Anteil der emittierten Strahlung in einen
benachbarten Halbleiterchip einkoppelt und dort ausgekoppelt wird . In einer Weiterbildung des Displays weist die Mehrzahl von Halbleiterchips einen gemeinsamen Halbleiterkörper auf. Der Halbleiterkörper weist dabei eine aktive Schicht auf, die lateral voneinander beabstandete, im Betrieb bestromte
Bereiche aufweist. Zwischen den Bereichen der im Betrieb bestromten aktiven Schicht ist jeweils ein Bereich
angeordnet, in dem der Halbleiterkörper Halbleitermaterial enthält, das im Betrieb nicht bestromt wird.
In einer Weiterbildung sind die bestromten Bereiche der aktiven Schicht und die Auskoppelflächen benachbarter
Halbleiterchips jeweils in einem lateralen Abstand zueinander angeordnet. Vorzugsweise ist vertikal über jeweils einer bestromten aktiven Schicht jeweils eine Auskoppelfläche symmetrisch angeordnet.
In einer Weiterbildung ist zwischen den Vergussmaterialien benachbarter Halbleiterchips jeweils eine Aussparung
angeordnet, die vorzugsweise ein Gas mit einem Brechungsindex von etwa 1 umfasst. In diesem Fall weist jeder Halbleiterchip oder jeder Bereich eines Halbleiterchips ein Vergussmaterial auf, wobei in Bereichen zwischen den einzelnen
Halbleiterchips auf dem Halbleitermaterial kein
Vergussmaterial angeordnet ist, sondern in diesem Bereich das Gas eingeschlossen ist.
In einer Weiterbildung ist auf der von dem Vergussmaterial abgewandten Seite der aktiven Schicht zwischen den im Betrieb bestromten Bereichen der aktiven Schicht benachbarter
Halbleiterchips jeweils eine Absorberschicht angeordnet. Der Halbleiterkörper weist somit zwischen den bestromten
Bereichen der aktiven Schicht integriertes Absorbermaterial auf, wobei dieses Material geeignet ist, die von den
bestromten Bereichen der aktiven Schicht emittierte Strahlung zu absorbieren. Die Absorberschicht und die mit Gas gefüllte Aussparung sind dabei vertikal übereinander angeordnet, wobei zwischen der Absorberschicht und der Aussparung
Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers angeordnet ist.
Dieses Halbleitermaterial wird im Betrieb nicht bestromt. Die Aussparung und die Absorberschicht eliminieren
vorteilhafterweise emittiertes Licht, das von einem
Halbleiterchip in Richtung eines benachbarten Halbleiterchips emittiert wird. Durch den starken Brechungsindexsprung zwischen Halbleitermaterial und Gas werden die in Richtung des Nachbarchips emittierten Strahlen an der Aussparung totalreflektiert und anschließend in der Absorberschicht absorbiert. Diese Strahlen können dadurch vorteilhafterweise nicht mehr aus den Nachbarchips ausgekoppelt werden, sodass sich vorteilhafterweise der Kontrast derartiger Displays erhöht .
In einer Weiterbildung weist die Konversionsschicht eine Mehrzahl von Bereichen auf, die geeignet sind, von der aktiven Schicht emittierte Strahlung in Strahlung
unterschiedlicher Wellenlänge zu konvertieren. In Aufsicht auf die Konversionsschicht weist diese demnach eine Mehrzahl von Bereichen auf, die geeignet sind, die von der aktiven Schicht emittierte Strahlung in Strahlung voneinander
unterschiedlicher Wellenlänge zu konvertieren. Beispielsweise ist ein erster Bereich so ausgebildet, dass die von der aktiven Schicht emittierte Strahlung in rote Strahlung konvertiert wird, ein zweiter Bereich derart ausgebildet, dass die von der aktiven Schicht emittierte Strahlung in grüne Strahlung konvertiert wird und ein dritter Bereich ausgebildet ist, diese Strahlung unverändert passieren zu lassen oder in gelbe Strahlung zu konvertieren.
Vorzugsweise ist einem Halbleiterchip jeweils ein Bereich der Konversionsschicht nachgeordnet, sodass in Aufsicht auf das Display beispielsweise eine matrixartige Anordnung der unterschiedlichen Bereiche der Konversionsschicht ausgebildet ist .
Durch das Einbringen einer Konversionsschicht in den
Strahlengang des Halbleiterchips kann die Emissionsfarbe der von dem Chip emittierten Strahlung verändert werden.
Insbesondere kann eine Konversionsschicht mit
verschiedenfarbigen Bereichen dafür sorgen, dass ein
Vollfarben-Display entsteht. So kann beispielsweise ein RGB (Rot, Grün, Blau) -Display realisiert werden. Weiß konvertierte Displays finden zudem Anwendung bei pixelierten Scheinwerfern . Ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterchips weist folgende Verfahrensschritte auf:
- Bereitstellen eines Halbleiterkörpers aus
Halbleitermaterial, der eine zur Strahlungserzeugung
vorgesehene aktive Schicht aufweist, und
- Anordnen einer Spiegelschicht auf dem Halbleiterkörper, wobei der Abstand zwischen der aktiven Schicht und der
Spiegelschicht derart eingestellt wird, dass eine von der aktiven Schicht in Richtung einer Auskoppelfläche emittierte Strahlung mit einer an der Spiegelschicht reflektierten
Strahlung interferiert, sodass eine Abstrahlcharakteristik der emittierten Strahlung des Halbleiterchips mit einer
Vorzugsrichtung in Vorwärtsrichtung erzeugt wird.
In einer Weiterbildung umfasst das Verfahren den weiteren Verfahrensschritt:
- Anordnen eines Vergussmaterials auf dem Halbleiterkörper auf der von der Spiegelschicht abgewandten Seite, das einen Brechungsindex aufweist, der kleiner ist als der
Brechungsindex des Halbleitermaterials.
Die in Verbindung mit dem Halbleiterchip genannten Merkmale gelten auch für das Verfahren und umgekehrt.
In einer Weiterbildung wird ein Display hergestellt, das eine Mehrzahl von Halbleiterchips umfasst, die mit oben genannten Verfahren hergestellt sind. Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren 1 bis 5 beschriebenen Ausführungsbeispielen. Es zeigen :
Figur 1 einen schematischen Querschnitt eines
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Halbleiterchips , Figuren 2A bis 2C jeweils ein schematisches Diagramm
betreffend die Auskoppeleffizienz abhängig vom Abstand zwischen aktiver Schicht und Spiegelschicht sowie die Abstrahlcharakteristik abhängig vom
Abstrahlwinkel ,
Figuren 3, 4 jeweils einen schematischen Querschnitt eines
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Displays, und Figur 5 ein Flussdiagramm betreffend ein erfindungsgemäßes
Herstellungsverfahren eines Halbleiterchips.
In den Figuren können gleiche oder gleich wirkende
Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Bestandteile und deren
Größenverhältnisse untereinander sind nicht als
maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne
Bestandteile, wie beispielsweise Schichten, Strukturen, Komponenten und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein. In Figur 1 ist ein Halbleiterchip 100 gezeigt, der einen Halbleiterkörper 6 und ein darauf angeordnetes
Vergussmaterial 7 umfasst. Der Halbleiterchip 100 ist
beispielsweise eine LED, vorzugsweise eine Dünnfilm-LED.
Der Halbleiterkörper 6 ist aus Halbleitermaterial,
beispielsweise basierend auf InGaN, InGaAlP, InAlGaAs . Der Halbleiterkörper weist eine zur Strahlungserzeugung
vorgesehene und im Betrieb bestromte aktive Schicht 2 auf. Der im Betrieb zu bestromende Teil der aktiven Schicht erstreckt sich dabei nicht über die gesamte laterale
Ausdehnung des Halbleiterkörpers 6, sondern ist zentriert in den Halbleiterschichten des Halbleiterkörpers 6 angeordnet. Das bedeutet, dass in Aufsicht auf den Halbleiterchip 100 der Halbleiterkörper im Betrieb einen mittigen bestromten Bereich aufweist, in dem Strahlung erzeugt wird, wobei benachbarte Randbereiche des Chips 100 im Betrieb nicht bestromt werden.
Der Halbleiterkörper 6 umfasst epitaktisch abgeschiedene Schichten, die den Halbleiterkörper bilden, wobei die aktive Schicht 2 in diesen Schichten integriert ist.
Der Halbleiterkörper 6 weist eine Hauptfläche auf, auf der Vergussmaterial 7 angeordnet ist. Auf der von dem
Vergussmaterial 7 abgewandten Seite des Halbleiterkörpers 6 ist eine Spiegelschicht 1 angeordnet.
Das Vergussmaterial weist einen Brechungsindex auf, der kleiner ist als der Brechungsindex des Halbleitermaterials des Halbleiterkörpers 6. Beispielsweise enthält das
Vergussmaterial Silikon. Das Vergussmaterial ist als Schicht auf der Hauptfläche des Halbleiterkörpers 6 angeordnet. Die Seitenflächen des Halbleiterkörpers 6 sind vorzugsweise frei von Vergussmaterial 7.
Die Spiegelschicht 1 ist geeignet, die von der aktiven
Schicht 2 emittierte Strahlung in Richtung Hauptfläche zu emittieren. Aus dem Halbleiterchip 100 austretendes Licht wird dabei direkt von der aktiven Schicht 2 in Richtung
Hauptfläche (siehe Strahlengang zu Pfeil 3) oder indirekt reflektierend über die Spiegelschicht 1 (siehe Strahlengang zu Pfeil 4) ausgekoppelt. Dieses direkte 3 und reflektierte 4 Licht erzeugt in Abhängigkeit vom Abstand d zwischen aktiver Schicht 2 und Spiegelschicht 1 ein Interferenzbild. Dieser Effekt ändert die interne Abstrahlcharakteristik des
Halbleiterchips 100. Um die Effizienz und den Kontrast eines derartigen Halbleiterchips 100 zu erhöhen, wird die zunächst Lambert 'sehe Emission des Halbleiterchips stärker in
Vorwärtsrichtung gerichtet. Dieser Effekt ist dem Fachmann auch unter dem Begriff „beamshaping" bekannt. Dies wird konkret dadurch erzielt, dass der Abstand d zwischen der Spiegelschicht 1 und der aktiven Schicht 2 so gewählt wird, dass durch Resonanz die Emissionsintensität in
Vorwärtsrichtung verstärkt, vorzugsweise maximal wird.
Dadurch weist der Halbleiterchip 100 vorteilhafterweise eine Auskoppelfläche 9 auf, aus die der größte Teil der in der aktiven Schicht 2 emittierten Strahlung aus dem
Halbleiterchip ausgekoppelt wird, wobei diese Auskoppelfläche 9 vorzugsweise eine geringere laterale Ausdehnung aufweist als die laterale Ausdehnung des Halbleiterkörpers 6. Dabei ist die Auskoppelfläche 9 zentriert im Halbleiterchip 100 angeordnet, sodass der Halbleiterchip 100 in Aufsicht auf den Halbleiterchip im mittigen Bereich die Auskoppelfläche 9 aufweist, die benachbart ist von Bereichen 10, aus denen kaum oder keine Strahlung aus dem Halbleiterchip ausgekoppelt wird .
Wenn die bestromte aktive Schicht eine Halbgröße p]_ hat, dann kann die optimale minimale Halbgröße des zugehörigen
Auskoppelfläche P2 durch folgende Formel berechnet werden:
P2=Pi* (d]_-d3)*tan(asin(n2/n]_) ) +d2* tan (c<2 ) · Dabei ist d]_ die Höhe des Halbleiterkörpers 6, d2 die Höhe des Vergussmaterials 7, d der Abstand zwischen aktiver Schicht 2 und Spiegelschicht 1, n]_ der Brechungsindex des Halbleitermaterials und n2 der Brechungsindex des
Vergussmaterials 7, wobei c<2 zwischen einschließlich 0 und 90° liegt oder zwischen einschließlich 20° und 60°.
Der Abstand d beträgt zum Beispiel zwischen einschließlich 50 nm und 130 nm oder zwischen einschließlich 75 nm und
105 nm. Insbesondere liegt der Abstand d bei 0,5 n]_ λ, wobei λ eine von dem Halbleiterchip emittierte Hauptwellenlänge ist. Der Brechungsindex n]_ kann beispielsweise zwischen einschließlich 2,2 und 2,7 liegen und der Brechungsindex n2 beispielsweise zwischen einschließlich 1,3 und 1,75. Auf der von dem Halbleiterkörper 6 abgewandten Seite des
Vergussmaterials 7 ist eine Konversionsschicht 8 angeordnet, die geeignet ist, die von der aktiven Schicht 2 emittierte Strahlung in Strahlung einer anderen Wellenlänge zu
konvertieren. Die Konversionsschicht weist dabei einen
Brechungsindex angepasst an den Brechungsindex des
Halbleitermaterials auf, also beispielsweise den
Brechungsindex n]_ . An den Grenzflächen zwischen dem Halbleitermaterial 6 und dem Vergussmaterial 7 sowie zwischen dem Vergussmaterial 7 und der Konversionsschicht 8 treten Fresnelreflexionen auf, sodass reflektiertes Licht zurück in den Halbleiterkörper 6 gelangt und dort an der Spiegelschicht 1 in Richtung
Auskoppelfläche reflektiert wird.
Um den Beamshaping-Effekt bei einem derartigen Halbleiterchip 100 zu erhöhen, kann optional ein Bragg-Spiegel 11 zwischen aktiver Schicht 2 und Auskoppelfläche 9 im Halbleiterkörper 6 integriert sein. Der Bragg-Spiegel 11 weist beispielsweise fünf λ/4-Schichten aus AlxGa(]__x)N und GaN auf.
Die Auskoppelfläche 9, der Bragg-Spiegel 11 und die aktive Schicht 2 sind dabei vorzugsweise zentriert im Halbleiterchip 100 angeordnet.
Durch Optimierung des Abstandes d innerhalb des
Halbleiterchips 100 weist die Abstrahlcharakteristik eines derartigen Chips im Vergleich mit herkömmlichen Chips eine erhöhte Effizienz und einen verbesserten Kontrast auf. Der Kontrast ist dabei das Verhältnis der im Betrieb aus der Auskoppelfläche 9 emittierten Strahlung und der im Betrieb aus benachbarten Bereichen 10 emittierten Strahlung. In benachbarten Bereichen 10 wird dabei wenig oder gar keine Strahlung aus dem Halbleiterchip 100 ausgekoppelt.
Die laterale Ausdehnung der Auskoppelfläche 9 kann in einem Bereich zwischen einschließlich 100 nm bis 100 μπι liegen, bevorzugt zwischen 2 μπι und 10 μπι.
Der Halbleiterchip 100 kann Anwendung finden in einem
Vollfarbendisplay oder auch für pixelierte Scheinwerfer. In Figur 2A ist ein Diagramm gezeigt, bei dem die Effizienz der Gesamtemission aus der Auskoppelfläche in Abhängigkeit vom Abstand d aufgezeigt ist. Beispielsweise bezieht sich dieses Diagramm auf einen Halbleiterchip 100 gemäß dem
Ausführungsbeispiel der Figur 1.
Die Kurve A]_ aus Figur 2A zeigt, dass die Auskoppeleffizienz aus der Auskoppelfläche direkt abhängig vom Abstand zwischen aktiver Schicht und Spiegelschicht ist. Insbesondere weist die Auskoppeleffizienz einen Maximalwert bei einem Abstand von 90 nm auf, bevorzugt mit einer Toleranz von höchstens 10 % oder von höchstens 5 %. Oberhalb und unterhalb dieses optimalen Abstandes nimmt die Auskoppeleffizienz aus der Auskoppelfläche ab. Das bedeutet, dass in den Bereichen ober- und unterhalb von einem Abstand von 90 nm ein Anteil der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung in Nachbarbereichen zur Auskoppelfläche ausgekoppelt wird. Diese Strahlung vermindert jedoch nachteilig den Kontrast derartiger Chips, was insbesondere bei Displayanwendungen nachteilig ist.
Die Kurve A]_ zeigt einen Halbleiterchip 100 gemäß dem
Ausführungsbeispiel der Figur 1, wobei jedoch kein Bragg- Spiegel zwischen aktiver Schicht und Auskoppelfläche
angeordnet ist. Ein Datenpunkt, der sich auf einen
Halbleiterchip mit einem Bragg-Spiegel zwischen aktiver
Schicht und Auskoppelfläche bezieht, ist in dem Diagramm der Figur 2A mittels des Punkts B]_ dargestellt. Wie in dem
Diagramm gezeigt ist, kann mittels eines derartig
angeordneten Bragg-Spiegels die Auskoppeleffizienz im Bereich der Auskoppelfläche weiter erhöht werden. Insbesondere erhöht sich so der so genannte Beamshaping-Effekt . In Figur 2B ist ein Diagramm gezeigt, bei dem der Kontrast, also der Anteil der Gesamtleistung in benachbarten Bereichen zur Auskoppelfläche, gegen den Abstand d zwischen aktiver Schicht und Spiegelschicht gezeigt ist. Wie aus der Kurve A2 hervorgeht, erhöht sich vorteilhafterweise bei höherem
Abstand d der Kontrast.
Die Kurve A2 des Diagramms der Figur 2B bezieht sich wiederum auf einen Halbleiterchip gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 1, bei dem jedoch kein Bragg-Spiegel im
Halbleiterkörper integriert ist. Ein mit einem Bragg-Spiegel integrierten Halbleiterchip und einen dazugehörigen
Datenpunkt ist mit Punkt B2 dargestellt. Ein Halbleiterchip mit einem integrierten Bragg-Spiegel zeigt dabei einen durchschnittlichen Kontrast.
In Figur 2C ist ein Diagramm dargestellt, bei dem die
Strahlungsintensität über den Abstrahlwinkel aufgezeigt ist, wobei die einzelnen Kurven A3 bis A7 unterschiedliche
Abstände d zwischen aktiver Schicht und Spiegelschicht aufweisen. Die Kurven A3 bis A7 basieren auf Halbleiterchips ohne integrierten Bragg-Spiegel, während die Kurve B3 auf einem Halbleiterchip mit integriertem Bragg-Spiegel basiert. Die Kurve A3 basiert auf einem Abstand d3 von 100 nm, die Kurve A4 von 90 nm, die Kurve A5 von 80 nm, die Kurve Ag von 70 nm und die Kurve A7 von 110 nm. Die Kurven mit großem Abstand zwischen aktiver Schicht und Spiegelschicht, also die Kurven A3 und A4 zeigen eine geringe Effizienz bei einem Winkel von 0°. Die Kurven Ag und A5 dagegen zeigen bei 0° eine hohe Effizienz. Bei derartigen Abständen ergibt sich somit eine Abstrahlcharakteristik mit Vorzugsrichtung in Vorwärtsrichtung, also in Richtung von 0°. Eine hohe Effizienz kann auch mit einem Chip mit integriertem Bragg-Spiegel erzielt werden, siehe Kurve B3.
In Figur 3 ist ein Display 1000 gezeigt, der eine Mehrzahl von Halbleiterchips 100 aufweist, die lateral nebeneinander angeordnet sind. Die Halbleiterchips 100 entsprechen im
Wesentlichen dem Halbleiterchip gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 1, wobei bei den Chips der Figur 3 keine Bragg- Spiegel im Halbleiterkörper 6 integriert sind.
Die Halbleiterchips 100 des Displays 1000 weisen einen gemeinsamen Halbleiterkörper 6 auf. Das bedeutet, dass die Halbleiterchips 100 gemeinsam im Verbund auf ein
Aufwachssubstrat aufgewachsen worden sind. Dabei ist im
Verbund zumindest eine aktive Schicht ausgebildet, die
Bereiche aufweist, die im Betrieb bestromt werden. Zwischen den Bereichen der im Betrieb bestromten aktiven Schicht ist jeweils ein lateraler Abstand angeordnet, sodass der Verbund Bereiche aufweist, die im Betrieb keine Strahlung erzeugen.
Das Display 1000 weist eine Mehrzahl von Auskoppelflächen 9, 10 auf, die jeweils in einem lateralen Abstand zueinander angeordnet sind. Jeweils einer aktiven Schicht ist in
vertikaler Richtung eine Auskoppelfläche nachgeordnet. Das Display ist somit dazu ausgerichtet, Bereiche 9, 10
aufzuweisen, aus denen Strahlung im Betrieb emittiert wird, wobei diese Bereiche durch Bereiche voneinander getrennt sind, in denen im Betrieb keine Strahlung emittiert wird. Um einen maximalen Kontrast derartiger Displays zu
gewährleisten, ist es vorteilhaft, zu verhindern, dass emittierte Strahlung eines Halbleiterchips in einen
benachbarten Halbleiterchip einkoppelt. Dafür wird jeweils der Abstand zwischen aktiver Schicht 2 und Spiegelschicht 1 jedes Halbleiterchips 100 optimal eingestellt, wie in dem Ausführungsbeispiel zu Figur 1 erörtert. Um dennoch in einen benachbarten Halbleiterchip emittierte Strahlung zu
eliminieren und so den Kontrast derartiger Displays weiter zu erhöhen, kann zwischen den Halbleiterchips im Vergussmaterial 7 eine mit Gas befüllte Aussparung 12 und im Halbleiterkörper 6 zwischen den im Betrieb bestromten Bereichen der aktiven Schicht 2 eine Absorberschicht 13 angeordnet sein. Durch den starken Brechungsindexsprung zwischen Halbleitermaterial und Gas werden die in Richtung des benachbarten Halbleiterchips emittierten Strahlen 14 an der Aussparung 12 totalreflektiert und in der Absorberschicht 13 absorbiert. Diese Strahlen können somit nicht mehr aus benachbarten Halbleiterchips ausgekoppelt werden, womit sich vorteilhafterweise der
Kontrast derartiger Displays erhöht.
Hierzu sind die Absorberschicht 13 und die Aussparung 12 vertikal übereinander angeordnet. Die Absorberschicht 13 kann dabei direkt angrenzend an die Spiegelschicht 1 im
Halbleiterkörper 6 angeordnet sein.
Im Übrigen stimmt das Ausführungsbeispiel der Figur 3 mit dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 in Bezug auf die
Halbleiterchips 100 überein.
Das Ausführungsbeispiel des Displays aus Figur 4
unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 dadurch, dass kein Vergussmaterial auf dem Halbleiterkörper angeordnet ist. Das Display weist direkt auf dem
Halbleiterkörper 6 die Konversionsschicht 8 auf, die
strukturiert ausgebildet ist. Die Konversionsschicht 8 des Displays 1000 weist eine Mehrzahl von Bereichen Ki, K2 auf, die geeignet sind, von der aktiven Schicht 2 emittierte
Strahlung in Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge zu konvertieren. Insbesondere ist oberhalb der Auskoppelfläche 9 eine Mehrzahl von Konversionsbereichen angeordnet, die voneinander mittels eines Abstandes getrennt sind. Der
Abstand enthält beispielsweise Luft. Jedem Bereich der im Betrieb zu bestromenden aktiven Schicht 2 ist dabei ein
Bereich der Konversionsschicht nachgeordnet. Jeder Bereich emittiert bevorzugt eine unterschiedlich konvertierte
Wellenlänge im Vergleich zu den anderen Bereichen, sodass mit Vorteil beispielsweise ein RGB-Display 1000 realisiert werden kann .
Im Übrigen stimmt das Ausführungsbeispiel der Figur 4 mit dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 im Wesentlichen überein.
In Figur 5 ist ein Flussdiagramm zur Herstellung eines
Halbleiterchips beispielsweise gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 dargestellt. Im Verfahrensschritt V]_ wird ein Halbleiterkörper aus Halbleitermaterial bereitgestellt, der eine zur Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Schicht aufweist. Anschließend wird im Verfahrensschritt V2 eine Spiegelschicht auf dem Halbleiterkörper angeordnet. Dabei wird der Abstand der aktiven Schicht zur Spiegelschicht derart eingestellt, dass eine von der aktiven Schicht in Richtung einer Auskoppelfläche des Halbleiterkörpers
emittierte Strahlung mit einer in der Spiegelschicht
reflektierten Strahlung so interferiert, dass eine
Abstrahlcharakteristik der emittierten Strahlung des
Halbleiterchips mit einer Vorzugsrichtung in Vorwärtsrichtung erzeugt wird. Anschließend im Verfahrensschritt V3 wird ein Vergussmaterial auf der von der Spiegelschicht abgewandten Seite des
Halbleiterkörpers aufgebracht, wobei das Vergussmaterial einen kleineren Brechungsindex aufweist als der
Brechungsindex des Halbleitermaterials.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den
Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn diese Merkmale oder diese Kombinationen selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben sind. Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2011 015 726.3, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Claims

1. Optoelektronischer Halbleiterchip (100) umfassend einen Halbleiterkörper (6) aus Halbleitermaterial, eine dem Halbleiterkörper (6) in Abstrahlrichtung
nachgeordnete Auskoppelfläche (9) und eine Spiegelschicht ( 1 ) , wobei
- der Halbleiterkörper (6) eine zur Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Schicht (2) aufweist,
- die Spiegelschicht (1) auf der der Auskoppelfläche (9) abgewandten Seite des Halbleiterkörpers (6) angeordnet ist, und
- der Abstand (da) zwischen der aktiven Schicht (2) und der Spiegelschicht (1) derart eingestellt ist, dass eine von der aktiven Schicht (2) in Richtung der
Auskoppelfläche (9) emittierte Strahlung mit einer an der Spiegelschicht (1) reflektierten Strahlung derart
interferiert, dass der Halbleiterchip (100) eine
Abstrahlcharakteristik der emittierten Strahlung mit einer Vorzugsrichtung in Vorwärtsrichtung aufweist.
2. Halbleiterchip nach Anspruch 1, wobei
die Auskoppelfläche (9) eine laterale Ausdehnung
aufweist, die kleiner ist als eine laterale Ausdehnung des Halbleiterkörpers,
wobei ein Abstand (da) zwischen der aktiven Schicht (2) und der Spiegelschicht (1) 90 nm beträgt, mit einer
Toleranz von höchstens 10 %.
3. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei
ein Vergussmaterial (7) auf dem Halbleiterkörper (6) angeordnet ist, das einen Brechungsindex aufweist, der kleiner ist als der Brechungsindex des
Halbleitermaterials .
4. Halbleiterchip nach Anspruch 3, wobei gilt:
P2 = Pi* (di-d3) *tan (asin (n2/ni) ) +d2*tan (α2) , wobei pi die Halbgröße der bestromten aktiven Schicht, p2 die Halbgröße der Auskoppelfläche, di die Höhe des
Halbleiterkörpers, d2 die Höhe des Vergussmaterials, d3 der Abstand zwischen aktiver Schicht und Spiegelschicht, ni der Brechungsindex des Halbleitermaterials und n2 der Brechungsindex des Vergussmaterials sind, mit
0 < «2 < 90 °.
5. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei
zwischen der aktiven Schicht (2) und der Auskoppelfläche (9) ein Bragg-Spiegel (11) angeordnet ist.
6. Halbleiterchip nach Anspruch 5, wobei
der Bragg-Spiegel (11) AlxGa ( ]_-x) N- und GaN-Schichten umfasst .
7. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei
auf der dem Halbleiterkörper (6) abgewandten Seite des Vergussmaterials (7) oder auf dem Halbleiterkörper (6) eine Konversionsschicht (8) aufgebracht ist.
8. Display (1000) mit einer Mehrzahl von
optoelektronischen Halbleiterchips (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die lateral nebeneinander angeordnet sind.
9. Display nach Anspruch 8, wobei
die Mehrzahl von Halbleiterchips (100) einen gemeinsamen Halbleiterkörper (6) aufweist.
10. Display nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei Bereiche der im Betrieb bestromten aktiven Schicht (2) und die Auskoppelflächen (9) benachbarter Halbleiterchips (100) jeweils in einem lateralen Abstand zueinander angeordnet sind.
11. Display nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei zwischen den Vergussmaterialien (7) benachbarter
Halbleiterchips (100) jeweils eine mit Gas gefüllte
Aussparung (12) angeordnet ist.
12. Display nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei auf der von dem Vergussmaterial (7) abgewandten Seite der aktiven Schicht (2) zwischen den Bereichen der im Betrieb bestromten aktiven Schicht (2) benachbarter
Halbleiterchips (100) jeweils eine Absorberschicht (13) angeordnet ist.
13. Display nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei auf der dem Halbleiterkörper (6) abgewandten Seite des Vergussmaterials (7) eine Konversionsschicht (8)
aufgebracht ist, die eine Mehrzahl von Bereichen
aufweist, die geeignet sind, von der aktiven Schicht emittierte Strahlung in Strahlung unterschiedlicher
Wellenlänge zu konvertieren.
14. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterchips (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, mit folgenden Verfahrensschritten:
- Bereitstellen eines Halbleiterkörpers (6) aus
Halbleitermaterial, der eine zur Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Schicht (2) aufweist, und
- Anordnen einer Spiegelschicht (1) auf dem
Halbleiterkörper (6), wobei
der Abstand zwischen der aktiven Schicht (2) und der Spiegelschicht (1) derart eingestellt wird, dass eine von der aktiven Schicht (2) in Richtung einer Auskoppelfläche (9) emittierte Strahlung mit einer an der Spiegelschicht (1) reflektierten Strahlung derart interferiert, dass eine Abstrahlcharakteristik der emittierten Strahlung des Halbleiterchips (100) mit einer Vorzugsrichtung in
Vorwärtsrichtung erzeugt wird.
15. Verfahren zum Herstellen eines Displays (1000), das eine Mehrzahl von Halbleiterchips (100) umfasst, die mit einem Verfahren nach Anspruch 14 hergestellt sind.
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