WO2019141586A1 - Epitaktisches konversionselement, strahlungsemittierender halbleiterchip und deren verfahren zur herstellung - Google Patents

Epitaktisches konversionselement, strahlungsemittierender halbleiterchip und deren verfahren zur herstellung Download PDF

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WO2019141586A1
WO2019141586A1 PCT/EP2019/050568 EP2019050568W WO2019141586A1 WO 2019141586 A1 WO2019141586 A1 WO 2019141586A1 EP 2019050568 W EP2019050568 W EP 2019050568W WO 2019141586 A1 WO2019141586 A1 WO 2019141586A1
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epitaxial
conversion element
epitaxial conversion
radiation
spectrum
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PCT/EP2019/050568
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Alexander TONKIKH
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H01L2933/0091—Scattering means in or on the semiconductor body or semiconductor body package

Definitions

  • An epitaxial conversion element a method for producing the epitaxial conversion element, a radiation-emitting semiconductor chip and a method for producing the radiation-emitting semiconductor chip are specified.
  • Preparation of the radiation-emitting semiconductor chip can be provided.
  • Conversion element having the features of claim 1, by a method comprising the steps of claim 10, by a radiation-emitting semiconductor chip having the features of claim 11 and by a method comprising the steps of claim 17.
  • Conversion element converts the epitaxial
  • Conversion element includes the epitaxial
  • the epitaxial conversion layers are preferably epitaxially grown and stacked along a stacking direction. Particularly preferably, the epitaxial conversion layers are each in direct contact with each other.
  • the epitaxial conversion layers preferably each comprise a semiconductor material having a bandgap between a valence band and a conduction band.
  • Semiconductor material of the epitaxial conversion layers absorb electromagnetic radiation of a
  • Wavelength range in this case from the excitation spectrum, so that states in the conduction band of the semiconductor material are excited, the release of electromagnetic Radiation of another wavelength range, in this case relax from the emission spectrum.
  • Wavelength range here preferably includes larger
  • Wavelengths as the wavelength range that is absorbed.
  • Conversion element converts each epitaxial
  • the single spectrum here depends on the band gap of the semiconductor material of
  • Conversion element is a FWHM width (short for English "Full Width Half Maximum Width") of the emission spectrum wider than a FWHM width of the excitation spectrum.
  • Single spectra are in each case a diagram in which the spectral intensity or the spectral luminous flux per wavelength interval of the electromagnetic radiation emitted by an element is shown as a function of the wavelength l.
  • the respective spectrum represents a curve in which the wavelength on the x-axis and the spectral on the y-axis Intensity or the spectral luminous flux is plotted.
  • the spectrum preferably has a maximum at one
  • FWHM width refers to a curve having a maximum, such as the emission spectrum, the excitation spectrum or the individual spectra, where the FWHM width is that region on the x-axis that corresponds to the two y-values that the Half of the maximum.
  • the excitation spectrum has only a single maximum at the peak wavelength.
  • the excitation spectrum is symmetrical to the maximum
  • the emission spectrum is particularly preferred
  • Emission spectrum can be symmetrical to the maximum.
  • the individual spectra of the epitaxial conversion layers each differ from one another.
  • each individual spectrum particularly preferably has only a single maximum at the peak wavelength. Also the
  • Single spectra can each be formed symmetrically to their maximum.
  • Conversion element are the epitaxial
  • III-V semiconductor material system such as a nitride compound semiconductor material system, a
  • the nitride compound semiconductor material system comprises
  • nitrogen compound semiconductor materials such as the materials from the system In x Al y Ga xy N, where 0 ⁇ x ⁇
  • Nitride compound semiconductor material is based on
  • the arsenide compound semiconductor material system comprises
  • Compound semiconductor materials containing arsenic such as the materials from the system In x Al y Ga xy As with 0 ⁇ x ⁇ 1, 0
  • Arsenide compound semiconductor material is based on
  • the electromagnetic radiation having wavelengths up to 2
  • the epitaxial conversion layers of such an epitaxial conversion element include, for example, InGaAs / GaAs.
  • the phosphide compound semiconductor material system includes phosphide compound semiconductor materials.
  • Containing phosphorus compound semiconductor materials such as the materials from the system In x Al y Ga xy P with 0 ⁇ x ⁇ 1, 0
  • Phosphide compound semiconductor material is based
  • suitable for converting electromagnetic radiation of an excitation spectrum from the blue spectral region into a broader, green-red emission spectrum For example, suitable for converting electromagnetic radiation of an excitation spectrum from the blue spectral region into a broader, green-red emission spectrum.
  • the antimony compound semiconductor material system comprises
  • Antimonide compound semiconductor materials are:
  • antimony compound semiconductor materials such as the materials from the system In x Al y Ga xy Sb with 0 ⁇ x ⁇ 1, 0
  • Antimonide compound semiconductor material is based
  • the epitaxial conversion element comprises epitaxial conversion layers, each having different thicknesses. Even so, epitaxial conversion layers with different thicknesses.
  • the different thicknesses of the epitaxial conversion layers are preferably chosen such that a desired shape of the emission spectrum is achieved.
  • a single epitaxial conversion layer has a thickness of between 5 nanometers and 1000 nanometers inclusive.
  • the photoluminescent properties of the epitaxial conversion layers can be estimated with a simplified model.
  • epitaxial conversion layer is. Further boundary conditions for the emission spectrum are its desired shape and its FWHM width.
  • the FWHM width of the single spectrum depends on the temperature and the intensity of the excitation spectrum.
  • the shape of the emission spectrum can be adjusted by adjusting the thickness and the band gaps of the epitaxial
  • the band gaps of the epitaxial conversion layers depends in particular on their material composition.
  • the FWHM width of the emission spectrum is influenced in particular by the total number of epitaxial conversion layers. In the simplest case, all epitaxial conversion layers emit single spectra of the same intensity, so that a uniform emission spectrum is generated. The maximum emitted spectral power density of the emission spectrum is limited to the spectral
  • d m (1 / a m ) * ln ⁇ (N-m + 1) / (Nm) ⁇ .
  • Each individual spectrum also has a FWHM width dE, which depends on the temperature T and on the power density of the excitation spectrum.
  • dE FWHM width
  • the value of the coefficient ⁇ is between 1 and 2.
  • the FWHM width dE of a single spectrum is for example, between 20 nanometers and 50 nanometers inclusive.
  • a minimum thickness of the epitaxial conversion layer results from the quantization condition, that is, when the thickness of the epitaxial conversion layer is below a certain extent
  • Electron mass of the semiconductor material of the epitaxial conversion layer is. From this condition, there is an upper limit to the number of epitaxial
  • N max Conversion layers in the epitaxial conversion element N max as follows: N max ⁇ 1 / ⁇ 1-exp (- d min ) ⁇ .
  • N max the absorption coefficient of the thinnest epitaxial
  • Conversion element take the thicknesses of the epitaxial
  • Conversion element continuously increase the band gaps of the epitaxial conversion layers from the radiation entrance surface of the conversion element to the radiation exit surface of the conversion element.
  • the individual spectra are the
  • the individual spectra of the epitaxial conversion layers are partially overlapping and partially formed distinct from each other.
  • two directly adjacent individual spectra each overlap in a certain area while they are in each case distinct from one another in a further area.
  • the distance Dl between two maxima directly adjacent results
  • Conversion element includes this a variety of
  • Barrier layers Particularly preferred is between two epitaxial conversion layers one each
  • the barrier layer is particularly preferably intended to be electrical
  • Contain charge carriers such as electrons and holes within the adjacent epitaxial conversion layer.
  • the two barrier layers are in direct contact with the adjacent epitaxial
  • the barrier layers have preferably grown epitaxially.
  • the barrier layers are based
  • the barrier layers preferably on the same material system as the epitaxial conversion layers.
  • the barrier layers have a thickness that is between 5 nanometers inclusive and 2 micrometers inclusive.
  • Conversion element has this a cover layer.
  • Cover layer is particularly preferably transparent to
  • transparent particularly preferably means that the top layer contains at least 80%, preferably at least 85% and particularly preferably at least 90% of the respective electromagnetic radiation
  • the cover layer has a roughened surface.
  • the surface of the cover layer can also be structured. The roughening or the
  • the cover layer has a thickness between 500 nanometers inclusive and 2 micrometers inclusive.
  • the cover layer comprises, for example, an oxide, such as
  • Silicon dioxide on or is formed from such a material.
  • a cover layer comprising silicon dioxide may be provided with an epitaxial semiconductor layer sequence
  • the epitaxial conversion element can be produced in particular by the method described below.
  • Conversion layers grown epitaxially on a common growth substrate, preferably lattice-matched.
  • an epitaxial conversion element based on a phosphide compound semiconductor material the electromagnetic radiation of a blue
  • an epitaxial conversion element based on an arsenide compound semiconductor material Furthermore, an epitaxial conversion element based on an arsenide compound semiconductor material, the
  • the epitaxial conversion layers here have preferably grown pseudomorphically and have, for example, InGaAs / GaAs.
  • the electromagnetic radiation of a red excitation spectrum in a broader infrared emission spectrum with
  • Wavelengths between 1 micron and including 2 microns converts, for example, epitaxial conversion layers, the alternating
  • Wavelengths of at least 2 microns can be epitaxially grown on a GaSb substrate.
  • the epitaxial conversion element described here is particularly suitable for being used in a radiation-emitting semiconductor chip.
  • the radiation-emitting semiconductor chip preferably comprises an epitaxial semiconductor layer sequence with an active zone.
  • the active zone is suitable for electromagnetic radiation of a first spectrum to send out, at least partially with the
  • Conversion element preferably converts electromagnetic
  • the epitaxial conversion element completely converts electromagnetic radiation of the active zone into radiation of the
  • epitaxial conversion elements For example, epitaxial conversion elements
  • the radiation-emitting semiconductor chip is in particular free of a connecting layer which mechanically stably interconnects the epitaxial semiconductor layer sequence and the epitaxial conversion element.
  • the radiation-emitting semiconductor chip preferably comprises a connection layer that contains the epitaxial layer
  • the bonding layer is particularly preferably transparent to the electromagnetic radiation of the epitaxial
  • the bonding layer is an adhesive layer.
  • the epitaxial semiconductor layer sequence is arranged on a support.
  • the carrier is in particular intended to mechanically stabilize the epitaxial semiconductor layer sequence.
  • the support is particularly preferably different from the
  • Growth substrate of the epitaxial semiconductor layer sequence is between the carrier and the
  • Radiation of the active zone to direct a radiation exit surface of the radiation-emitting semiconductor chip Radiation of the active zone to direct a radiation exit surface of the radiation-emitting semiconductor chip.
  • radiation-emitting semiconductor chips can serve as a light source in a miniaturized optical gas sensor.
  • the epitaxial semiconductor layer sequence is based on a
  • the epitaxial conversion element in this embodiment of the radiation-emitting semiconductor chip is particularly preferably based on a
  • Arsenide compound semiconductor material and converts the red light of the first spectrum in infrared light, more preferably completely.
  • a semiconductor chip can be used in particular advantageously as a light source in an optical gas sensor.
  • the radiation-emitting semiconductor chip can be produced, for example, by the method described below. Features and embodiments described herein only in connection with the radiation-emitting semiconductor chip may also be formed in the method and vice versa.
  • Growth substrate provided. On the growth substrate is preferably an epitaxial conversion element
  • Production of the radiation-emitting semiconductor chip is an epitaxial semiconductor layer sequence on the
  • Semiconductor layer sequence epitaxially deposited on the epitaxial conversion element.
  • the same growth substrate is used for the epitaxial conversion element and the epitaxial semiconductor layer sequence.
  • Semiconductor layer sequence is epitaxially deposited on a further growth substrate, which is different from the growth substrate of the epitaxial conversion element.
  • Conversion element mechanically stable connected, preferably by a connecting layer.
  • the present conversion element is based on the idea of making use of the photoluminescent properties of epitaxially grown semiconductor layers for wavelength conversion.
  • a comparatively narrow excitation spectrum such as that produced by a light-emitting diode with an active zone, is to be converted into a broader spectrum
  • epitaxial conversion element preferably a plurality of stacked epitaxial conversion layers, the mutually different emission properties and
  • the proposed epitaxial conversion element can be produced comparatively inexpensively, scalably and reliably, so that a light source with a comparatively broad emission spectrum can be achieved.
  • Emission spectrums can be generated by the use of various semiconductor compound materials and in each case
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a radiation-emitting semiconductor chip according to FIG. 1
  • Figure 2 shows a schematic sectional view through a portion of an epitaxial conversion element according to an embodiment.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the band structure of an epitaxial conversion element according to a further exemplary embodiment.
  • Figure 8 shows simulated values of the FWHM width of one
  • FIG. 9 shows simulation results of an emission spectrum for a given excitation spectrum in accordance with FIG. 9
  • Embodiment of Figure 1 has an epitaxial
  • the epitaxial conversion element 1 converts electromagnetic radiation of a
  • Excitation spectrum 2 in electromagnetic radiation of an emission spectrum 3 microns, preferably completely. Particularly preferred is a FWHM width DE N * dE of
  • N denotes the total number of epitaxial conversion layers 4.
  • the epitaxial conversion element 1 comprises a plurality of epitaxial conversion layers 4. Each epitaxial conversion element
  • Conversion layer 4 converts electromagnetic radiation of the excitation spectrum 2 into electromagnetic radiation of a single spectrum 5.
  • the individual spectra 5 differ here in each case from each other.
  • the emission spectrum 3 consists of the individual spectra 5 of the epitaxial
  • the epitaxial conversion element 1 comprises a cover layer 6, which is responsible for electromagnetic radiation of the
  • the cover layer 6 has a structuring 7, which advantageously improves the decoupling of electromagnetic radiation, in particular of at least the emission spectrum 3, from the epitaxial conversion element 1.
  • the epitaxial conversion element 1 is provided with a
  • Connecting layer 8 such as an adhesive layer, mechanically stable connected to an epitaxial semiconductor layer sequence 9.
  • the epitaxial semiconductor layer sequence 9 comprises an active zone 10 which, during operation, emits electromagnetic radiation of a first spectrum which at least partially coincides with the excitation spectrum 2 of the epitaxial conversion element 1.
  • the epitaxial semiconductor layer sequence 9 is arranged on a support 11. Between the carrier 11 and the epitaxial semiconductor layer sequence 9, a reflective layer 12 is arranged, which is suitable for directing electromagnetic radiation of the active zone 10 to a radiation exit surface of the semiconductor chip.
  • FIG. 2 represents only a section for reasons of clarity.
  • the epitaxial conversion element 1 has several
  • epitaxial conversion layers 4 take in the
  • the epitaxial conversion layers 4 according to FIG. 2 furthermore have at least two barrier layers 15, between which one of the epitaxial conversion layers 4 is arranged.
  • the barrier layers 15 are in direct contact with the epitaxial conversion layer 4 and concentrate electrical charge carriers, such as electrons or holes, within the epitaxial conversion layer 4.
  • An epitaxial conversion element 1 may have a band diagram, as shown schematically in FIG.
  • the epitaxial conversion element 1 has a total number N of epitaxial conversion layers 4.
  • An emission energy of the individual spectra 5 of the epitaxial conversion layers 4 takes from the
  • the FWHM width DE of the emission spectrum 3 is proportional to aNk B T.
  • the constant a depends on the choice of the band gaps of the epitaxial conversion layers 4. With k B is the
  • Embodiment of Figures 4 and 5 is a
  • Growth substrate 16 for the epitaxial Conversion layers 4 of the epitaxial conversion element 1 is provided.
  • a transparent cover layer 6 is applied, on which in turn the epitaxial conversion layers 4 of the epitaxial
  • Conversion element 1 are arranged.
  • An epitaxial semiconductor layer sequence 9 is arranged on the epitaxial conversion layers 4.
  • the epitaxial semiconductor layer sequence 9 comprises a
  • n-contact layer 17 for example, comprises n-InGaAlP or consists of this material.
  • n-contact layer 17 On the n-contact layer 17, an n-type current spreading layer 18 is arranged. On the n-type current spreading layer 18 there is further arranged an active region 10 which is suitable for electromagnetic
  • the first spectrum has present red light or consists of red light.
  • a p-type current spreading layer 19 is applied to the active zone 10 (FIG. 4).
  • the epitaxial semiconductor layer sequence 9 is based
  • phosphide compound semiconductor material such as InGaAlP.
  • epitaxial conversion element 1 serves here as
  • FIGS. 6 and 7 enter in a first step
  • the growth substrate 16 may be, for example, a GaAs substrate.
  • the epitaxial conversion layers 4 and the barrier layers 15 are epitaxially deposited on the growth substrate 16.
  • the epitaxial conversion layers 4 of the epitaxial conversion element 1 can be based, for example, on a phosphide compound semiconductor material. Such epitaxial conversion element 1 is suitable for electromagnetic radiation of a
  • Conversion layers 4 AlGalnAs / GaAs include.
  • Such an epitaxial conversion element 1 is suitable for generating an emission spectrum 3 with wavelengths of up to 1.1 micrometers.
  • Conversion layers 4 are particularly preferably pseudomorphic or lattice-matched.
  • d m (l / a m ) * ln ⁇ (N-m + 1) / (Nm) ⁇ .
  • a photon recycling effect is neglected.
  • the thickness of the epitaxial conversion layers 4 would be reduced with smaller band gaps. This would result in a reduction of the possible total number of epitaxial conversion layers 4 according to N max ⁇ 1 / ⁇ 1-exp (-cxd min ) ⁇ .
  • the graph of FIG. 8 shows simulated values of the FWHM width DE of the emission spectrum 3 in FIG. 8
  • Emission spectrum 3 lead.
  • the right y-axis is hereby limited to 500 milli-electron volts, but the FWHM-width DE of the emission spectrum 3 may also be higher.
  • the minimum thickness d min of an epitaxial conversion layer 4 is about 15 nanometers, while the maximum value of the total number N max of epitaxial
  • Conversion layers 4 is about 36.
  • the thickness of the individual epitaxial conversion layers 4 is
  • the values simulated in FIG. 8 apply, for example, to an AlGaAs-based epitaxial conversion element 1 whose excitation spectrum 2 has a peak wavelength peak of approximately 650 nanometers and which has a structure
  • FIG. 9 shows a diagram with a simulated emission spectrum 3 starting from one likewise
  • the total number N of the epitaxial conversion layers 4 is 10.
  • the emission spectrum 3 is composed of the individual spectra 5 of the epitaxial conversion layers 4.
  • Emission spectrum 3 of the epitaxial conversion element 1 in this case has a significantly larger FWHM range DE than the excitation spectrum 2.

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Abstract

Es wird ein epitaktisches Konversionselement (1) angegeben, das elektromagnetische Strahlung eines Anregungsspektrums (2) in elektromagnetische Strahlung eines Emissionsspektrums (3) umwandelt. Das epitaktische Konversionselement (1) weist eine Vielzahl an epitaktischen Konversionsschichten (4) auf, wobei - jede epitaktische Konversionsschicht (4) elektromagnetische Strahlung des Anregungsspektrums (2) in elektromagnetische Strahlung eines Einzelspektrums (5) umwandelt und sich das Emissionsspektrum (3) aus den Einzelspektren (5) zusammensetzt, und - eine FWHM-Breite des Emissionsspektrums (3) breiter ist als eine FWHM-Breite des Anregungsspektrums (2). Außerdem werden ein Verfahren zur Herstellung des epitaktischen Konversionselements, ein strahlungsemittierender Halbleiterchip und ein Verfahren zur Herstellung des strahlungsemittierenden Halbleiterchips angegeben.

Description

Beschreibung
EPITAKTISCHES KONVERSIONSELEMENT, STRAHLUNGSEMITTIERENDER
HALBLEITERCHIP UND DEREN VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG
Es werden ein epitaktisches Konversionselement, ein Verfahren zur Herstellung des epitaktischen Konversionselements, ein strahlungsemittierender Halbleiterchip und ein Verfahren zur Herstellung des strahlungsemittierenden Halbleiterchips angegeben .
Epitaktische Konversionselemente und strahlungsemittierende Halbleiterchips sind beispielsweise in der Druckschrift EP 2193550 Bl beschrieben.
Es soll ein Konversionselement angegeben werden, das dazu geeignet ist, elektromagnetische Strahlung mit einem
vergleichsweise schmalen Anregungsspektrum in ein breiteres Emissionsspektrum umzuwandeln. Außerdem soll ein
strahlungsemittierender Halbleiterchip mit einem derartigen Konversionselement und ein Verfahren zu dessen Herstellung angegeben werden. Schließlich soll ein Verfahren zur
Herstellung des strahlungsemittierenden Halbleiterchips bereitgestellt werden.
Diese Aufgaben werden durch ein epitaktisches
Konversionselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Verfahren mit den Schritten des Patentanspruchs 10, durch einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 und durch ein Verfahren mit den Schritten des Patentanspruchs 17 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des epitaktischen Konversionselements, des
strahlungsemittierenden Halbleiterchips und der beiden
Verfahren sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einer Ausführungsform des epitaktischen
Konversionselements wandelt das epitaktische
Konversionselement elektromagnetische Strahlung eines
Anregungsspektrums in elektromagnetische Strahlung eines Emissionsspektrums um.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des epitaktischen
Konversionselements umfasst das epitaktische
Konversionselement eine Vielzahl an epitaktischen
Konversionsschichten. Die epitaktischen Konversionsschichten sind bevorzugt epitaktisch gewachsen und entlang einer Stapelrichtung aufeinander gestapelt. Besonders bevorzugt stehen die epitaktischen Konversionsschichten jeweils in direktem Kontakt miteinander.
Die epitaktischen Konversionsschichten weisen bevorzugt jeweils ein Halbleitermaterial mit einer Bandlücke zwischen einem Valenzband und einem Leitungsband auf. Die
wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften der epitaktischen Konversionsschichten gehen vorliegend auf die
photolumineszierenden Eigenschaften des Halbleitermaterials der epitaktischen Konversionsschichten zurück. Das
Halbleitermaterial der epitaktischen Konversionsschichten absorbieren elektromagnetische Strahlung eines
Wellenlängenbereichs, vorliegend aus dem Anregungsspektrum, so dass Zustände im Leitungsband des Halbleitermaterials angeregt werden, die unter Abgabe von elektromagnetischer Strahlung eines weiteren Wellenlängenbereichs, vorliegend aus dem Emissionsspektrum, relaxieren. Der weitere
Wellenlängenbereich umfasst hierbei bevorzugt größere
Wellenlängen als der Wellenlängenbereich, der absorbiert wird .
Gemäß einer Ausführungsform des epitaktischen
Konversionselements wandelt jede epitaktische
Konversionsschicht elektromagnetische Strahlung des
Anregungsspektrums in elektromagnetische Strahlung eines Einzelspektrums um. Das Emissionsspektrum setzt sich
besonders bevorzugt aus den Einzelspektren der epitaktischen Konversionsschichten zusammen. Das Einzelspektrum hängt hierbei von der Bandlücke des Halbleitermaterials der
jeweiligen epitaktischen Konversionsschicht ab. Folglich hängt das Anregungsspektrum von den Bandlücken der
Halbleitermaterialien der epitaktischen Konversionsschichten ab .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des epitaktischen
Konversionselements ist eine FWHM-Breite (kurz für Englisch „Full Width Half Maximum-Breite") des Emissionsspektrums breiter als eine FWHM-Breite des Anregungsspektrums.
Bei den hier beschriebenen Spektren, wie dem
Emissionsspektrum, dem Anregungsspektrum und den
Einzelspektren, handelt es sich in der Regel jeweils um ein Diagramm, bei dem die spektrale Intensität oder der spektrale Lichtstrom pro Wellenlängenintervall der von einem Element ausgesandten elektromagnetischen Strahlung in Abhängigkeit der Wellenlänge l dargestellt ist. Mit anderen Worten stellt das jeweilige Spektrum eine Kurve dar, bei der auf der x- Achse die Wellenlänge und auf der y-Achse die spektrale Intensität oder der spektrale Lichtstrom aufgetragen ist. Das Spektrum weist bevorzugt ein Maximum bei einer
Peakwellenlänge auf. Der Begriff FWHM-Breite bezieht sich auf eine Kurve mit einem Maximum, wie etwa das Emissionsspektrum, das Anregungsspektrum oder die Einzelspektren, wobei die FWHM-Breite derjenige Bereich auf der x-Achse ist, der zu den beiden y-Werten korrespondiert, die der Hälfte des Maximums entsprechen .
Besonders bevorzugt weist das Anregungsspektrum lediglich ein einziges Maximum bei der Peakwellenlänge auf. Beispielsweise ist das Anregungsspektrum symmetrisch zu dem Maximum
ausgebildet .
Auch das Emissionsspektrum weist besonders bevorzugt
lediglich ein einziges Maximum auf. Auch das
Emissionsspektrum kann symmetrisch zu dem Maximum ausgebildet sein .
Besonders bevorzugt unterscheiden sich die Einzelspektren der epitaktischen Konversionsschichten jeweils voneinander. Auch jedes Einzelspektrum weist besonders bevorzugt lediglich ein einziges Maximum bei der Peakwellenlänge auf. Auch die
Einzelspektren können jeweils symmetrisch zu ihrem Maximum ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des epitaktischen
Konversionselements sind die epitaktischen
Konversionsschichten jeweils verschieden voneinander
ausgebildet. Besonders bevorzugt unterscheiden sich die
Einzelspektren der epitaktischen Konversionsschichten jeweils voneinander. Sind die epitaktischen Konversionsschichten jeweils verschieden voneinander ausgebildet, so unterscheiden sich in Regel auch deren Einzelspektren voneinander.
Beispielsweise basieren die epitaktischen
Konversionsschichten auf demselben Materialsystem oder bestehen aus Materialien desselben Materialsystems, wobei die Materialien aber eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen. Beispielsweise handelt es sich bei dem
Materialsystem um ein III-V-Halbleitermaterialsystem, wie etwa ein Nitridverbindungshalbleitermaterialsystem, ein
ArsenidverbindungshalbleitermaterialSystem, ein
Phosphidverbindungshalbleitermaterialsystem oder ein
AntimonidverbindungshalbleitermaterialSystem.
Das Nitridverbindungshalbleitermaterialsystem umfasst
Nitridverbindungshalbleitermaterialien .
Nitridverbindungshalbleitermaterialien sind
Verbindungshalbleitermaterialien, die Stickstoff enthalten, wie die Materialien aus dem System InxAlyGai-x-yN mit 0 < x <
1, 0 < y < 1 und x+y < 1.
Ein epitaktisches Konversionselement, das auf einem
Nitridverbindungshalbleitermaterial basiert, ist
beispielsweise dazu geeignet, elektromagnetische Strahlung eines Anregungsspektrums aus dem ultravioletten
Spektralbereich in ein breiteres, blaues Emissionsspektrum umzuwandeln .
Das Arsenidverbindungshalbleitermaterialsystem umfasst
Arsenidverbindungshalbleitermaterialien .
Arsenidverbindungshalbleitermaterialien sind
Verbindungshalbleitermaterialien, die Arsen enthalten, wie die Materialien aus dem System InxAlyGai-x-yAs mit 0 < x < 1, 0
< y < 1 und x+y < 1.
Ein epitaktisches Konversionselement, das auf einem
Arsenidverbindungshalbleitermaterial basiert, ist
beispielsweise dazu geeignet, elektromagnetische Strahlung eines Anregungsspektrums aus dem roten Spektralbereich in ein breiteres, infrarotes Emissionsspektrum umzuwandeln, das elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen bis zu 2
Mikrometer umfasst. Die epitaktischen Konversionsschichten eines solchen epitaktischen Konversionselements weisen beispielsweise InGaAs/GaAs auf.
Das Phosphidverbindungshalbleitermaterialsystem umfasst Phosphidverbindungshalbleitermaterialien .
Phosphidverbindungshalbleitermaterialien sind
Verbindungshalbleitermaterialien, die Phosphor enthalten, wie die Materialien aus dem System InxAlyGai-x-yP mit 0 < x < 1, 0
< y < 1 und x+y < 1.
Ein epitaktisches Konversionselement, das auf einem
Phosphidverbindungshalbleitermaterial basiert, ist
beispielsweise dazu geeignet, elektromagnetische Strahlung eines Anregungsspektrums aus dem blauen Spektralbereich in ein breiteres, grün-rotes Emissionsspektrum umzuwandeln.
Das Antimonverbindungshalbleitermaterialsystem umfasst
Antimonidverbindungshalbleitermaterialien .
Antimonidverbindungshalbleitermaterialien sind
Verbindungshalbleitermaterialien, die Antimon enthalten, wie die Materialien aus dem System InxAlyGai-x-ySb mit 0 < x < 1, 0
< y < 1 und x+y < 1. Ein epitaktisches Konversionselement, das auf einem
Antimonidverbindungshalbleitermaterial basiert, ist
beispielsweise dazu geeignet, elektromagnetische Strahlung eines Anregungsspektrums aus dem roten Spektralbereich in ein breiteres, langwelliges infrarotes Emissionsspektrum
umzuwandeln, das elektromagnetische Strahlung mit
Wellenlängen von mindestens 2 Mikrometer aufweist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das epitaktische Konversionselement epitaktische Konversionsschichten, die jeweils unterschiedliche Dicken aufweisen. Auch so können epitaktische Konversionsschichten mit unterschiedlichen
Einzelspektren erzielt werden. Die unterschiedlichen Dicken der epitaktischen Konversionsschichten sind bevorzugt derart gewählt, dass eine gewünschte Form des Emissionsspektrums erzielt wird. Beispielsweise weist eine einzelne epitaktische Konversionsschicht eine Dicke zwischen einschließlich 5 Nanometer und einschließlich 1000 Nanometer auf.
Die photolumineszierenden Eigenschaften der epitaktischen Konversionsschichten können mit einem vereinfachten Modell abgeschätzt werden. Die Anzahl der von einer epitaktischen Konversionsschicht ausgesandten Photonen und damit die
Absorption von elektromagnetischer Strahlung hängt von der internen Quanteneffizienz IQE und dem
Absorptionskoeffizienten der epitaktischen Konversionsschicht ab. Die Absorption von elektromagnetischer Strahlung einer einzelnen epitaktischen Konversionsschicht ist proportional zu exp(- mdm), wobei m der Absorptionskoeffizient der
epitaktischen Konversionsschicht und dm die Dicke der
epitaktischen Konversionsschicht ist. Weitere Randbedingungen für das Emissionsspektrums sind dessen gewünschte Form und dessen FWHM-Breite. Die FWHM-Breite des Einzelspektrums hängt von der Temperatur und der Intensität des Anregungsspektrums ab .
Die Form des Emissionsspektrums kann durch Einstellen der Dicke und der Bandlücken der epitaktischen
Konversionsschichten eingestellt werden, wobei die Bandlücken der epitaktischen Konversionsschichten insbesondere von deren Materialzusammensetzung abhängt.
Die FWHM-Breite des Emissionsspektrums wird insbesondere durch die Gesamtanzahl der epitaktischen Konversionsschichten beeinflusst. Im einfachsten Fall senden alle epitaktischen Konversionsschichten Einzelspektren der gleichen Intensität aus, so dass ein gleichförmiges Emissionsspektrum erzeugt wird. Die maximal ausgesandte spektrale Leistungsdichte des Emissionsspektrums ist begrenzt auf die spektrale
Leistungsdichte des Anregungsspektrums geteilt durch die Gesamtanzahl an Konversionsschichten N. Die Dicke der m-ten epitaktischen Konversionsschicht dm im Grenzfall IQE = 1 ist gegeben durch: dm= (l/am) *ln { (N-m+1) / (N-m) } .
Jedes Einzelspektrum weist ebenfalls eine FWHM-Breite dE auf, die von der Temperatur T und von der Leistungsdichte des Anregungsspektrums abhängt. Beispielsweise ist die FWHM- Breite 5Em jedes Einzelspektrums proportional zur 5Em = ßkBT, wobei der Koeffizient ß ein Maß für die Verbreiterung des Einzelspektrums und kB die Bolztmann-Konstante ist.
Typischerweise liegt der Wert des Koeffizienten ß zwischen 1 und 2. Die FWHM-Breite dE eines Einzelspektrums liegt beispielsweise zwischen einschließlich 20 Nanometer und einschließlich 50 Nanometer.
Aus der FWHM-Breite 5Em = ßkBT für das m-te Einzelspektrum ergibt sich für eine Gesamtanzahl N epitaktischer
Konversionsschichten eine absolute FWHM-Breite des
Emissionsspektrums von DE = NßkBT.
Unter Annahme der oben genannten Näherungen ergibt sich eine minimale Dicke der epitaktischen Konversionsschicht aus der Quantisierungsbedingung, das heißt wenn die Dicke der epitaktischen Konversionsschicht unter einen gewissen
Grenzwert gesenkt wird, reduziert sich der Abstand zwischen zwei direkt benachbarten Einzelspektren. Die Bedingung für die minimale Dicke dmin einer einzelnen epitaktischen
Konversionsschicht ergibt sich zu: dmin ^ {h2/meff5Em} 1/2 , wobei h das Planck 'sehe Wirkungsquantum und meff die effektive
Elektronenmasse des Halbleitermaterials der epitaktischen Konversionsschicht ist. Aus dieser Bedingung ergibt sich eine Obergrenze für die Anzahl der epitaktischen
Konversionsschichten in dem epitaktischen Konversionselement Nmax wie folgt: Nmax < 1/ { 1-exp (- dmin) } . Hierbei ist der Absorptionskoeffizient der dünnsten epitaktischen
Konversionsschicht des epitaktischen Konversionselements.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des epitaktischen
Konversionselements nehmen die Dicken der epitaktischen
Konversionsschichten von einer Strahlungseintrittsfläche des epitaktischen Konversionselements zu einer
Strahlungsaustrittsfläche des epitaktischen
Konversionselements kontinuierlich zu. Bevorzugt weisen die einzelnen epitaktischen
Konversionsschichten leicht unterschiedliche Bandlücken auf. Gemäß einer Ausführungsform des epitaktischen
Konversionselements nehmen die Bandlücken der epitaktischen Konversionsschichten von der Strahlungseintrittsfläche des Konversionselements zu der Strahlungsaustrittsfläche des Konversionselements kontinuierlich zu.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Einzelspektren der
Konversionsschichten teilweise überlappend ausgebildet.
Besonders bevorzugt sind die Einzelspektren der epitaktischen Konversionsschichten teilweise überlappend und teilweise distinkt voneinander ausgebildet. Beispielsweise überlappen zwei direkt benachbarte Einzelspektren jeweils in einem bestimmten Bereich während sie in einem weiteren Bereich jeweils distinkt voneinander sind. Beispielsweise ergibt sich der Abstand Dl zwischen zwei Maxima direkt benachbarter
Einzelspektren mit einer FWHM-Breite dE ungefähr zu 1,24/dE.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des epitaktischen
Konversionselements umfasst dieses eine Vielzahl an
Barriereschichten. Besonders bevorzugt ist zwischen zwei epitaktischen Konversionsschichten jeweils eine
Barriereschicht angeordnet. Die Barriereschichten sind besonders bevorzugt dazu vorgesehen, elektrische
Ladungsträger, wie Elektronen und Löcher, innerhalb der angrenzenden epitaktischen Konversionsschicht einzuschließen.
Besonders bevorzugt stehen die beiden Barriereschichten in direktem Kontakt mit der angrenzenden epitaktischen
Konversionsschicht. Die Barriereschichten sind bevorzugt epitaktisch gewachsen. Die Barriereschichten basieren
bevorzugt auf dem gleichen Materialsystem wie die epitaktischen Konversionsschichten. Beispielsweise weisen die Barriereschichten eine Dicke auf, die zwischen einschließlich 5 Nanometer und einschließlich 2 Mikrometer liegt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des epitaktischen
Konversionselements weist dieses eine Deckschicht auf.
Beispielsweise ist die Strahlungsaustrittsfläche des
Konversionselements durch die Deckschicht gebildet. Die
Deckschicht ist besonders bevorzugt transparent für
elektromagnetische Strahlung des Anregungsspektrums und/oder des Emissionsspektrums. „Transparent" bedeutet hierbei besonders bevorzugt, dass die Deckschicht mindestens 80 %, bevorzugt mindestens 85 % und besonders bevorzugt mindestens 90 % der jeweiligen elektromagnetischen Strahlung
transmittiert .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des epitaktischen
Konversionselements weist die Deckschicht eine aufgeraute Oberfläche auf. Die Oberfläche der Deckschicht kann weiterhin auch strukturiert sein. Die Aufrauhung oder die
Strukturierung der Deckschicht dient zur besseren
Lichtauskopplung aus dem epitaktischen Konversionselement. Beispielsweise weist die Deckschicht eine Dicke zwischen einschließlich 500 Nanometer und einschließlich 2 Mikrometer auf .
Die Deckschicht weist beispielsweise ein Oxid, wie
Siliziumdioxid, auf oder ist aus einem derartigen Material gebildet. Eine Deckschicht, die Siliziumdioxid aufweist, kann mit einer epitaktischen Halbleiterschichtenfolge
beispielsweise durch Bonden mechanisch stabil verbunden sein. Das epitaktische Konversionselement kann insbesondere mit dem im Folgenden beschriebenen Verfahren hergestellt werden.
Merkmale und Ausführungen, die vorliegend lediglich in
Verbindung mit dem epitaktischen Konversionselement
beschrieben sind, können auch bei dem Verfahren ausgebildet sein und umgekehrt.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird ein
Wachstumssubstrat bereitgestellt. Auf dem Wachstumssubstrat werden die epitaktischen Konversionsschichten des
epitaktischen Konversionselements epitaktisch abgeschieden.
Besonders bevorzugt werden sämtliche epitaktischen
Konversionsschichten auf einem gemeinsamen Wachstumssubstrat epitaktisch gewachsen, bevorzugt gitterangepasst .
Beispielsweise kann ein epitaktisches Konversionselement basierend auf einem Phosphidverbindungshalbleitermaterial , das elektromagnetische Strahlung eines blauen
Anregungsspektrums in ein breiteres grün-rotes
Emissionsspektrum umwandelt, auf einem GaAs-Substrat
epitaktisch gewachsen werden.
Weiterhin kann ein epitaktisches Konversionselement basierend auf einem Arsenidverbindungshalbleitermaterial , das
elektromagnetische Strahlung eines roten Anregungsspektrums in ein breiteres infrarotes Emissionsspektrum mit
Wellenlängen bis zu 1,1 Mikrometer umwandelt, auf einem GaAs- Substrat epitaktisch gewachsen werden. Die epitaktischen Konversionsschichten sind hierbei bevorzugt pseudomorph gewachsen und weisen beispielsweise InGaAs/GaAs auf. Um ein epitaktisches Konversionselement zu erzielen, das elektromagnetische Strahlung eines roten Anregungsspektrums in ein breiteres infrarotes Emissionsspektrum mit
Wellenlängen zwischen einschließlich 1 Mikrometer und einschließlich 2 Mikrometer umwandelt, können beispielsweise epitaktische Konversionsschichten, die alternierend
AlInGaAs/InP aufweisen, auf einem InP-Substrat epitaktisch gewachsen werden.
Ein epitaktisches Konversionselement basierend auf einem Antimonidverbindungshalbleitermaterial , das
elektromagnetische Strahlung eines roten Anregungsspektrums in ein breiteres infrarotes Emissionsspektrum mit
Wellenlängen von mindestens 2 Mikrometer umwandelt, kann beispielsweise auf einem GaSb-Substrat epitaktisch gewachsen werden .
Das hier beschriebene epitaktische Konversionselement ist insbesondere dazu geeignet, in einem strahlungsemittierenden Halbleiterchip verwendet zu werden. Merkmale und
Ausgestaltungen, die vorliegend nur in Verbindung mit dem epitaktischen Konversionselement beschrieben sind, können auch bei dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip
ausgebildet sein und umgekehrt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der
strahlungsemittierende Halbleiterchip das hier beschriebene epitaktische Konversionselement.
Weiterhin umfasst der strahlungsemittierende Halbleiterchip bevorzugt eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone. Die aktive Zone ist dazu geeignet, elektromagnetische Strahlung eines ersten Spektrums auszusenden, das zumindest teilweise mit dem
Anregungsspektrum übereinstimmt. Das epitaktische
Konversionselement wandelt bevorzugt elektromagnetische
Strahlung der aktiven Zone zumindest teilweise in Strahlung des Emissionsspektrums um. Besonders bevorzugt wandelt das epitaktische Konversionselement elektromagnetische Strahlung der aktiven Zone vollständig in Strahlung des
Emissionsspektrums um.
Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge und das
epitaktische Konversionselement können beispielsweise
gemeinsam auf einem Wachstumssubstrat epitaktisch gewachsen sein. Mit anderen Worten können die epitaktische
Halbleiterschichtenfolge und das epitaktische
Konversionselement monolithisch miteinander ausgebildet sein. In diesem Fall ist der strahlungsemittierende Halbleiterchip insbesondere frei von einer Verbindungsschicht, die die epitaktische Halbleiterschichtenfolge und das epitaktische Konversionselement mechanisch stabil miteinander verbindet.
Alternativ ist es auch möglich, dass die epitaktischen
Halbleiterschichtenfolge und das epitaktische
Konversionselement getrennt voneinander auf unterschiedlichen Wachstumssubstraten epitaktisch gewachsen sind. In diesem Fall umfasst der strahlungsemittierende Halbleiterchip bevorzugt eine Verbindungsschicht, die die epitaktische
Halbleiterschichtenfolge und das epitaktische
Konversionselement mechanisch stabil miteinander verbindet. Die Verbindungsschicht ist besonders bevorzugt transparent für die elektromagnetische Strahlung der epitaktischen
Halbleiterschichtenfolge sowie die elektromagnetische
Strahlung des epitaktischen Konversionselements ausgebildet. Beispielsweise handelt es sich bei der Verbindungsschicht um eine KlebstoffSchicht .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die epitaktische Halbleiterschichtenfolge auf einem Träger angeordnet. Der Träger ist insbesondere dazu vorgesehen, die epitaktische Halbleiterschichtenfolge mechanisch zu stabilisieren. Hierbei ist der Träger besonders bevorzugt verschieden von dem
Wachstumssubstrat der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge. Besonders bevorzugt ist zwischen dem Träger und der
epitaktischen Halbleiterschichtenfolge eine spiegelnde
Schicht angeordnet, die insbesondere dazu geeignet ist,
Strahlung der aktiven Zone zu einer Strahlungsaustrittsfläche des strahlungsemittierenden Halbleiterchips zu lenken.
Das epitaktische Konversionselement und/oder der
strahlungsemittierende Halbleiterchip können beispielsweise als Lichtquelle in einem miniaturisierten optischen Gassensor dienen .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform beruht die epitaktische Halbleiterschichtenfolge auf einem
Phosphidverbindungshalbleitermaterial und das erste Spektrum umfasst rotes Licht. Das epitaktische Konversionselement beruht bei dieser Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterchips besonders bevorzugt auf einem
Arsenidverbindungshalbleitermaterial und wandelt das rote Licht des ersten Spektrums in infrarotes Licht um, besonders bevorzugt vollständig. Ein derartiger Halbleiterchip kann insbesondere mit Vorteil als Lichtquelle in einem optischen Gassensor eingesetzt werden. Der strahlungsemittierende Halbleiterchip kann beispielsweise mit dem im Folgenden beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Merkmale und Ausführungen, die vorliegend lediglich in Verbindung mit dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip beschrieben sind, können auch bei dem Verfahren ausgebildet sein und umgekehrt.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterchips wird ein
Wachstumssubstrat bereitgestellt. Auf dem Wachstumssubstrat wird bevorzugt ein epitaktisches Konversionselement
epitaktisch aufgewachsen .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur
Herstellung des strahlungsemittierenden Halbleiterchips wird eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge auf das
epitaktische Konversionselement aufgebracht.
Beispielsweise kann auch die epitaktische
Halbleiterschichtenfolge epitaktisch auf dem epitaktischen Konversionselement abgeschieden werden. Hierbei wird dasselbe Wachstumssubstrat für das epitaktische Konversionselement und die epitaktische Halbleiterschichtenfolge verwendet.
Alternativ ist es auch möglich, dass die epitaktische
Halbleiterschichtenfolge auf einem weiteren Wachstumssubstrat epitaktisch abgeschieden wird, das von dem Wachstumssubstrat des epitaktischen Konversionselements verschieden ist. Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung des strahlungsemittierenden Halbleiterchips wird die epitaktische Halbleiterschichtenfolge mit dem epitaktischen
Konversionselement mechanisch stabil verbunden, bevorzugt durch eine Verbindungsschicht. Das vorliegende Konversionselement beruht auf der Idee, sich die photolumineszierenden Eigenschaften von epitaktisch gewachsenen Halbleiterschichten zur Wellenlängenkonversion zu Nutze zu machen. Insbesondere soll ein vergleichsweise schmales Anregungsspektrum, wie es etwa von einer Leuchtdiode mit einer aktiven Zone erzeugt wird, in ein breiteres
Emissionsspektrum umzuwandeln. Hierzu umfasst das
epitaktische Konversionselement bevorzugt eine Vielzahl übereinander gestapelter epitaktischer Konversionsschichten, die zueinander verschiedene Emissionseigenschaften und
Konversionseigenschaften aufweisen. Auf diese Art und Weise kann das Emissionsspektrum des epitaktischen
Konversionselements gezielt aus den Einzelspektren der verschiedenen epitaktischen Konversionsschichten
zusammengesetzt werden.
Das vorgeschlagene epitaktische Konversionselement kann insbesondere vergleichsweise kostengünstig, skalierbar und zuverlässig hergestellt werden, sodass eine Lichtquelle mit einem vergleichsweise breiten Emissionsspektrum erzielt werden kann. Unterschiedliche spektrale Bereiche des
Emissionsspektrums können durch die Verwendung verschiedener Halbleiterverbindungsmaterialien und jeweils daran
angepasster Anregungsspektren erzielt werden. Insbesondere können durch Anpassung des Anregungsspektrums an das
epitaktische Konversionselement Stokesverluste reduziert werden, sodass eine effektivere Lichtkonversion erzielt werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen. Figur 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterchips gemäß einem
Ausführungsbeispiel .
Figur 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch einen Bereich eines epitaktischen Konversionselements gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung der Bandstruktur eines epitaktischen Konversionselements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel .
Anhand der schematischen Schnittdarstellungen der Figuren 4 und 5 wird ein Verfahren zur Herstellung eines
strahlungsemittierenden Halbleiterchips näher beschrieben.
Anhand der schematischen Schnittdarstellungen der Figuren 6 und 7 wird ein Verfahren zur Herstellung eines epitaktischen Konversionselements näher beschrieben.
Figur 8 zeigt simulierte Werte der FWHM-Breite eines
Emissionsspektrums gemäß einem Ausführungsbeispiel auf der rechten vertikalen Achse und simulierte Dicken der
epitaktischen Konversionsschichten gemäß einem
Ausführungsbeispiel auf der linken vertikalen Achse in
Abhängigkeit der Gesamtanzahl N an epitaktischen
Konversionsschichten .
Figur 9 zeigt Simulationsergebnisse eines Emissionsspektrums bei einem vorgegebenen Anregungsspektrum gemäß einem
Ausführungsbeispiel . Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu
betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente, insbesondere Schichtdicken, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Der strahlungsemittierende Halbleiterchip gemäß dem
Ausführungsbeispiel der Figur 1 weist ein epitaktisches
Konversionselement 1 auf. Das epitaktische Konversionselement 1 wandelt eine elektromagnetische Strahlung eines
Anregungsspektrums 2 in elektromagnetische Strahlung eines Emissionsspektrums 3 um, bevorzugt vollständig. Besonders bevorzugt ist eine FWHM-Breite DE = N*dE des
Emissionsspektrums breiter als eine FWHM-Breite dE des
Anregungsspektrums 2. Hierbei bezeichnet N die Gesamtanzahl der epitaktischen Konversionsschichten 4.
Das epitaktische Konversionselement 1 umfasst eine Vielzahl epitaktischer Konversionsschichten 4. Jede epitaktische
Konversionsschicht 4 wandelt elektromagnetische Strahlung des Anregungsspektrums 2 in elektromagnetische Strahlung eines Einzelspektrums 5 um. Die Einzelspektren 5 unterscheiden sich hierbei vorliegend jeweils voneinander. Das Emissionsspektrum 3 setzt sich aus den Einzelspektren 5 der epitaktischen
Konversionsschichten 4 zusammen.
Weiterhin umfasst das epitaktische Konversionselement 1 eine Deckschicht 6, die für elektromagnetische Strahlung des
Emissionsspektrums 3 und gegebenenfalls für
elektromagnetische Strahlung des Anregungsspektrums 2
transparent ist. Die Deckschicht 6 weist eine Strukturierung 7 auf, die die Auskopplung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere zumindest des Emissionsspektrums 3, aus dem epitaktischen Konversionselement 1 mit Vorteil verbessert.
Das epitaktische Konversionselement 1 ist mit einer
Verbindungsschicht 8, etwa einer KlebstoffSchicht, mit einer epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 9 mechanisch stabil verbunden .
Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 9 umfasst eine aktive Zone 10, die im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Spektrums aussendet, das zumindest teilweise mit dem Anregungsspektrum 2 des epitaktischen Konversionselements 1 übereinstimmt. Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 9 ist auf einem Träger 11 angeordnet. Zwischen dem Träger 11 und der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 9 ist eine spiegelnde Schicht 12 angeordnet, die dazu geeignet ist, elektromagnetische Strahlung der aktiven Zone 10 zu einer Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips zu lenken.
Ein Ausführungsbeispiel des epitaktischen Konversionselements 1 wird anhand der Figur 2 näher erläutert, wobei Figur 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur einen Ausschnitt darstellt. Das epitaktische Konversionselement 1 weist mehrere
epitaktische Konversionsschichten 4 auf, von denen vorliegend drei dargestellt sind. Die Dicken und Bandlücken der
epitaktischen Konversionsschichten 4 nehmen bei dem
epitaktischen Konversionselement 1 gemäß dem
Ausführungsbeispiel der Figur 2 von einer
Strahlungseintrittsfläche 13 des epitaktischen
Konversionselements 1 zu einer Strahlungsaustrittsfläche 14 des epitaktischen Konversionselements 1 kontinuierlich zu. Daher unterscheiden sich die Einzelspektren 5 der von den epitaktischen Konversionsschichten 4 ausgesandten elektromagnetischen Strahlung jeweils voneinander.
Die epitaktischen Konversionsschichten 4 gemäß der Figur 2 weisen weiterhin zumindest zwei Barriereschichten 15 auf, zwischen denen eine der epitaktischen Konversionsschichten 4 angeordnet ist. Die Barriereschichten 15 stehen hierbei in direktem Kontakt mit der epitaktischen Konversionsschicht 4 und konzentrieren elektrische Ladungsträger, wie Elektronen oder Löcher, innerhalb der epitaktischen Konversionsschicht 4.
Ein epitaktisches Konversionselement 1 kann ein Banddiagramm aufweisen, wie es schematisch in Figur 3 dargestellt ist. Das epitaktische Konversionselement 1 weist eine Gesamtanzahl N epitaktischer Konversionsschichten 4 auf. Die epitaktischen Konversionsschichten 4 sind hierbei durchlaufen von m = 1 bis m = N laufend nummeriert.
Eine Emissionsenergie der Einzelspektren 5 der epitaktischen Konversionsschichten 4 nimmt hierbei von der
Strahlungseintrittsfläche 13 des epitaktischen
Konversionselements 1 zur Strahlungsaustrittsfläche 14 des epitaktischen Konversionselements 1 zu. Die FWHM-Breite DE des Emissionsspektrums 3 ist hierbei proportional zu aNkBT . Die Konstante a hängt hierbei von der Wahl der Bandlücken der epitaktischen Konversionsschichten 4 ab. Mit kB ist die
Boltzmann-Konstante und mit T die Temperatur angegeben.
Bei dem Verfahren zur Herstellung eines
strahlungsemittierenden Halbleiterchips gemäß dem
Ausführungsbeispiel der Figuren 4 und 5 wird ein
Wachstumssubstrat 16 für die epitaktischen Konversionsschichten 4 des epitaktischen Konversionselements 1 bereitgestellt. Auf dem Wachstumssubstrat 16 wird eine transparente Deckschicht 6 aufgebracht, auf der wiederum die epitaktischen Konversionsschichten 4 des epitaktischen
Konversionselements 1 angeordnet werden.
Auf den epitaktischen Konversionsschichten 4 wird eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge 9 angeordnet. Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 9 umfasst eine
epitaktisch gewachsene elektrische n-Kontaktschicht 17, die beispielsweise n-InGaAlP aufweist oder aus diesem Material besteht. Auf der n-Kontaktschicht 17 ist eine n- Stromaufweitungsschicht 18 angeordnet. Auf der n- Stromaufweitungsschicht 18 ist weiterhin eine aktive Zone 10 angeordnet, die dazu geeignet ist, elektromagnetische
Strahlung eines ersten Spektrums zu erzeugen. Das erste Spektrum weist vorliegend rotes Licht auf oder besteht aus rotem Licht. Auf der aktiven Zone 10 ist schließlich eine p- Stromaufweitungsschicht 19 aufgebracht (Figur 4).
Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 9 basiert
vorliegend auf einem Phosphidverbindungshalbleitermaterial , wie beispielsweise InGaAlP.
In einem nächsten Schritt wird auf die freiliegende
Hauptfläche der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 9 ein Träger 22 aufgebracht und das Wachstumssubstrat 16 entfernt, beispielsweise durch Ätzen. Die Deckschicht 6 des
epitaktischen Konversionselements 1 dient hierbei als
Ätzstoppschicht und bildet bei dem fertigen
strahlungsemittierenden Halbleiterchip dessen
Strahlungsaustrittsfläche aus (Figur 5) . Bei dem Verfahren zur Herstellung eines epitaktischen
Konversionselements 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der
Figuren 6 und 7 wird in einem ersten Schritt ein
Wachstumssubstrat 16 für die epitaktischen
Konversionsschichten 4 bereitgestellt (Figur 6) . Bei dem Wachstumssubstrat 16 kann es sich beispielsweise um ein GaAs- Substrat handeln.
In einem nächsten Schritt werden, wie in Figur 7 schematisch dargestellt, die epitaktischen Konversionsschichten 4 und die Barriereschichten 15 epitaktisch auf dem Wachstumssubstrat 16 abgeschieden. Die epitaktischen Konversionsschichten 4 des epitaktischen Konversionselements 1 können beispielsweise auf einem Phosphidverbindungshalbleitermaterial basieren. Ein derartiges epitaktisches Konversionselement 1 ist dazu geeignet, elektromagnetische Strahlung eines
Anregungsspektrum 2 aus dem blauen Spektralbereich zumindest teilweise in ein grün-rotes Emissionsspektrum 3 umzuwandeln.
Weiterhin ist es auch möglich, dass die epitaktischen
Konversionsschichten 4 AlGalnAs/GaAs umfassen. Ein derartiges epitaktisches Konversionselement 1 ist dazu geeignet, ein Emissionsspektrum 3 mit Wellenlängen bis zu 1,1 Mikrometer zu erzeugen. Das epitaktische Wachstum der epitaktischen
Konversionsschichten 4 findet hierbei besonders bevorzugt pseudomorph oder gitterangepasst statt.
Das Diagramm gemäß der Figur 8 zeigt simulierte Werte der Dicke dm der m-ten epitaktischen Konversionsschicht 4 in Nanometer (linke y-Achse) in Abhängigkeit der Gesamtanzahl der epitaktischen Konversionsschichten N (x-Achse) gemäß der Formel dm= (l/am) *ln{ (N-m+1) / (N-m) } . In dieser Näherung ist ein Photonenrecyclingeffekt vernachlässigt. Würde dieser Effekt mit einbezogen, so würde sich die Dicke der epitaktischen Konversionsschichten 4 mit kleineren Bandlücken reduzieren. Dies würde in einer Verringerung der möglichen Gesamtanzahl an epitaktischen Konversionsschichten 4 gemäß Nmax < 1/ { 1-exp (-cxdmin) } resultieren.
Außerdem zeigt das Diagramm der Figur 8 simulierte Werte der FWHM-Breite DE des Emissionsspektrums 3 in
Millielektronenvolt (rechte y-Achse) in Abhängigkeit der Gesamtanzahl N der epitaktischen Konversionsschichten 4 gemäß der Formel DE = ßNkBT einmal für ß = 1,5 und einmal für ß = 0,5. Die Konstante ß ist hierbei ein Maß für den Abstand der Maxima zweier direkt benachbarter Einzelspektren 5. Der Wert 0,5 für ß sollte hierbei zu einem einheitlicheren
Emissionsspektrum 3 führen. Die rechte y-Achse ist hierbei auf 500 Millielektronenvolt beschränkt, die FWHM-Breite DE des Emissionsspektrums 3 kann jedoch auch darüber liegen.
Die minimale Dicke dmin einer epitaktischen Konversionsschicht 4 ergibt sich hierbei zu ungefähr 15 Nanometer, während der maximale Wert der Gesamtanzahl Nmax von epitaktischen
Konversionsschichten 4 ungefähr 36 beträgt. Die Dicke der einzelnen epitaktischen Konversionsschichten 4 liegt
beispielsweise zwischen einschließlich 10 Nanometer und einschließlich 100 Nanometer.
Die in Figur 8 simulierten Werte gelten beispielsweise für ein AlGaAs-basiertes epitaktisches Konversionselement 1, dessen Anregungsspektrum 2 eine Peakwellenlänge peak von ungefähr 650 Nanometer aufweist und das eine Struktur
aufweist, wie beispielsweise in Figur 4 offenbart. Figur 9 zeigt ein Diagramm mit einem simulierten Emissionsspektrum 3 ausgehend von einem ebenfalls
dargestellten Anregungsspektrum 2. Die Gesamtanzahl N der epitaktischen Konversionsschichten 4 beträgt hierbei 10. Das Emissionsspektrum 3 setzt sich aus den Einzelspektren 5 der epitaktischen Konversionsschichten 4 zusammen. Das
Emissionsspektrum 3 des epitaktischen Konversionselements 1 weist hierbei eine deutlich größere FWHM-Bereite DE auf als das Anregungsspektrum 2.
Die vorliegende Anmeldung beanspruch die Priorität der deutschen Anmeldung DE 102018101089.3, deren
Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezg aufgenommen wird.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung 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.
Bezugszeichenliste
1 Konversionselement
2 AnregungsSpektrum
3 Emissionsspektrum
4 KonversionsSchicht
5 EinzelSpektrum
6 Deckschicht
7 Strukturierung
8 VerbindungsSchicht
9 epitaktische Halbleiterschichtenfolge
10 aktive Zone
11 Träger
12 spiegelnde Schicht
13 Strahlungseintrittsfläche des Konversionselements
14 Strahlungsaustrittsfläche des Konversionselements
15 Barriereschichten
1 6 WachstumsSubstrat
17 n-KontaktSchicht
1 8 n-StromaufweitungsSchicht
1 9 p-StromaufweitungsSchicht
DE, dE FWHM-Breite
^peak Peakwellenlänge

Claims

Patentansprüche
1. Epitaktisches Konversionselement (1), das
elektromagnetische Strahlung eines Anregungsspektrums (2) in elektromagnetische Strahlung eines Emissionsspektrums (3) umwandelt, mit einer Vielzahl an epitaktischen
Konversionsschichten (4), wobei
- jede epitaktische Konversionsschicht (4) elektromagnetische Strahlung des Anregungsspektrums (2) in elektromagnetische Strahlung eines Einzelspektrums (5) umwandelt und sich das Emissionsspektrum (3) aus den Einzelspektren (5)
zusammensetzt,
- eine FWHM-Breite des Emissionsspektrums (3) breiter ist als eine FWHM-Breite des Anregungsspektrums (2), und
- die Einzelspektren (5) teilweise überlappend miteinander ausgebildet sind.
2. Epitaktisches Konversionselement (1) nach dem vorherigen Anspruch,
bei dem die epitaktischen Konversionsschichten (4) jeweils verschieden voneinander ausgebildet sind, so dass sich die Einzelspektren (5) voneinander unterscheiden.
3. Epitaktisches Konversionselement (1) nach einem der obigen Ansprüche,
bei dem die epitaktischen Konversionsschichten (4) auf demselben Materialsystem basieren, aber jeweils
unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen.
4. Epitaktisches Konversionselement (1) nach einem der obigen Ansprüche,
bei dem die epitaktischen Konversionsschichten (4)
unterschiedliche Dicken aufweisen.
5. Epitaktisches Konversionselement (1) nach einem der obigen Ansprüche,
bei dem die Dicken der epitaktischen Konversionsschichten (4) von einer Strahlungseintrittsfläche (13) des epitaktischen Konversionselements (1) zu einer Strahlungsaustrittsfläche (14) des epitaktischen Konversionselements (1) kontinuierlich zunehmen .
6. Epitaktisches Konversionselement (1) nach einem der obigen Ansprüche,
bei dem die Bandlücken der epitaktischen Konversionsschichten (4) von der Strahlungseintrittsfläche (13) des epitaktischen Konversionselements (1) zu der Strahlungsaustrittsfläche (14) des epitaktischen Konversionselements (1) kontinuierlich zunehmen .
7. Epitaktisches Konversionselement (1) nach einem der obigen Ansprüche,
bei dem die Einzelspektren (5) teilweise überlappend und teilweise distinkt voneinander ausgebildet sind.
8. Epitaktisches Konversionselement (1) nach einem der obigen Ansprüche
mit einer Vielzahl an Barriereschichten (15), wobei zwischen zwei epitaktischen Konversionsschichten (4) jeweils eine Barriereschicht (15) angeordnet ist.
9. Epitaktisches Konversionselement (1) nach einem der obigen Ansprüche,
bei dem eine Strahlungsaustrittsfläche (13) des epitaktischen Konversionselements (1) durch eine aufgeraute Deckschicht (6) gebildet ist.
10. Verfahren zur Herstellung eines epitaktischen Konversionselements (1) nach einem der obigen Ansprüche mit den folgenden Schritten:
- Bereitstellen eines Wachstumssubstrats (16), und
- epitaktisches Abscheiden von epitaktischen
Konversionsschichten (4) auf dem Wachstumssubstrat (16).
11. Strahlungsemittierender Halbleiterchip mit:
- einem epitaktischen Konversionselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, und
- einer epitaktischen Halbleiterschichtenfolge (9), die eine aktive Zone (10) umfasst, wobei die aktive Zone (10) dazu geeignet ist, elektromagnetische Strahlung eines ersten
Spektrums auszusenden, das zumindest teilweise mit dem
Anregungsspektrum (2) übereinstimmt, wobei
das epitaktische Konversionselement (1) elektromagnetische Strahlung der aktiven Zone (10) zumindest teilweise in
Strahlung des Emissionsspektrums (3) umwandelt.
12. Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach dem
vorherigen Anspruch,
bei dem das epitaktische Konversionselement (1) die
elektromagnetische Strahlung der aktiven Zone (10)
vollständig in Strahlung des Emissionsspektrums (3)
umwandelt .
13. Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 11 bis 12,
bei dem die epitaktische Halbleiterschichtenfolge (9) und das epitaktische Konversionselement (1) monolithisch ausgebildet sind .
14. Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
bei dem die epitaktische Halbleiterschichtenfolge (9) und das epitaktische Konversionselement (1) durch eine
Verbindungsschicht (8) mechanisch stabil miteinander
verbunden sind.
15. Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 11 bis 14,
bei dem die epitaktische Halbleiterschichtenfolge (9) auf einem Träger (11) angeordnet ist, wobei zwischen dem Träger (11) und der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge (9) eine spiegelnde Schicht (12) angeordnet ist.
16. Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem
- die epitaktische Halbleiterschichtenfolge (9) auf einem Phosphidverbindungshalbleitermaterial beruht und das erste Spektrum rotes Licht umfasst, und
- das epitaktische Konversionselement (1) auf einem
Arsenidverbindungshalbleitermaterial beruht und das rote Licht des ersten Spektrums in infrarotes Licht umwandelt.
17. Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterchips nach einem der Ansprüche 11 bis 16 mit den folgenden Schritten:
- Bereitstellen eines Wachstumssubstrats (16),
- epitaktisches Aufwachsen eines epitaktischen
Konversionselements (1) auf das Wachstumssubstrat (16), und
- Aufbringen einer epitaktischen Halbleiterschichtenfolge (9) auf das epitaktische Konversionselement (1).
18. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, bei dem die epitaktische Halbleiterschichtenfolge (9) epitaktisch auf dem epitaktischen Konversionselement (1) abgeschieden wird.
19. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem
- die epitaktische Halbleiterschichtenfolge (9) auf einem weiteren Wachstumssubstrat, das von dem Wachstumssubstrat (16) des epitaktischen Konversionselements (1) verschieden ist, epitaktisch abgeschieden wird, und
- die epitaktische Halbleiterschichtenfolge (9) mit dem epitaktischen Konversionselement (1) mechanisch stabil durch eine Verbindungsschicht (8) verbunden wird.
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