WO2020244949A1 - Halbleiterbauelement mit strahlungskonversionselement und verfahren zum herstellen von strahlungskonversionselementen - Google Patents

Halbleiterbauelement mit strahlungskonversionselement und verfahren zum herstellen von strahlungskonversionselementen Download PDF

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WO2020244949A1
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radiation
semiconductor component
radiation conversion
semiconductor
conversion element
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Johannes Baur
Ulrich STEEGMÜLLER
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table

Definitions

  • the present application relates to a semiconductor component with a radiation conversion element and a method for producing radiation conversion elements.
  • Light-emitting diodes emitting in the infrared spectral range, in particular with an emission wavelength above 1000 nm, can be produced on GaP substrates.
  • these substrates are very expensive and only available to a limited extent; in addition, the known emitters show a comparatively large side emission, which makes optical imaging difficult.
  • One task is to achieve efficient generation of radiation in the infrared spectral range.
  • This task is, among other things, by a
  • the semiconductor component has a semiconductor chip.
  • the semiconductor chip in particular has one for generating a primary radiation with a
  • charge carriers can enter the active area from opposite sides and recombine there with the emission of radiation.
  • the semiconductor component has a radiation conversion element.
  • Radiation conversion element is in particular on the
  • Semiconductor device is the peak wavelength of the
  • the peak wavelength is between 900 nm and 1100 nm inclusive.
  • the peak wavelength is between 920 nm and 1080 nm inclusive.
  • the radiation conversion element has a quantum structure.
  • quantum structure includes in the context of
  • quantum structure does not contain any information about the dimensionality of the quantization. It thus includes, among other things, quantum wells, quantum wires and quantum dots and any combination of these structures.
  • the quantum structure has a plurality of quantum layers, between which barrier layers are arranged.
  • the quantum layers form and the barrier layers have a multi-quantum well (MQW) structure.
  • the radiation conversion element has, for example, a substrate that is permeable to the primary radiation. The substrate is used in particular
  • the substrate is at least twice or at least five times as thick as the quantum structure.
  • the substrate is, for example, a growth substrate for the, for example, epitaxial deposition of the quantum structure.
  • the substrate can also be different from the growth substrate for the quantum structure.
  • the radiation conversion element can also be free of a substrate.
  • the quantum structure converts the semiconductor component
  • Primary radiation at least partially into secondary radiation, an emission wavelength of an emission maximum of the secondary radiation being greater than the peak wavelength.
  • the emission maximum is, for example, a global maximum of the secondary radiation or a local maximum of the
  • Radiation generation take place in a wavelength range which could not be easily achieved with the material system used for the active area of the semiconductor chip.
  • at least one emission maximum of the secondary radiation is between 1000 nm and 1000 nm
  • the semiconductor component has a semiconductor chip and a Radiation conversion element, where the
  • the semiconductor chip has an active region provided for generating primary radiation with a peak wavelength.
  • the radiation conversion element has a quantum structure. The peak wavelength of the
  • Primary radiation is in the infrared spectral range.
  • the quantum structure at least converts the primary radiation
  • Secondary radiation is greater than the peak wavelength.
  • the quantum structure has a plurality of quantum layers, which are through barrier layers
  • the barrier layers are separated from one another, the barrier layers having a band gap which is greater than an energy of the radiation with the peak wavelength.
  • the energy of the radiation with the peak wavelength is not sufficient to transfer charge carriers into the
  • the radiation conversion element therefore takes place essentially directly within the quantum layers.
  • the quantum structure has at least two quantum layers, which with respect to their
  • the emission spectrum of the quantum structure has at least two emission bands, the emission maxima of which are different from one another.
  • the emission maxima are clearly resolved in the emission spectrum.
  • the spectral distance between adjacent maxima can be so small that the superposition of the emission bands overall becomes wider
  • Semiconductor component has the quantum structure a
  • the semiconductor material used for the quantum structure is therefore on an InP
  • having growth substrate can be deposited epitaxially, for example by means of MBE or MOVPE.
  • the material can be lattice-adapted or tensioned, as long as the tension does not cause cracks in the crystal.
  • the quantum structure has at least one material from the group of the following material systems:
  • Semiconductor materials direct band gaps can be achieved, so that both light absorption and emission can take place efficiently.
  • That the lattice constant of the material corresponds to that of InP means that the intrinsic lattice constant of the material is equal to that of InP or that the Deviations are at least so small that the material grows tense on InP without relaxing.
  • Lattice constant of the material for the quantum structure by a maximum of 2%, in particular by a maximum of 1% of the
  • emission wavelengths between 1000 nm and 1700 nm inclusive can be reliably achieved.
  • Radiation conversion element the active area of the
  • Semiconductor chips in plan view of the semiconductor component to at least 90%. In particular, it can
  • Radiation conversion element also covers the active area
  • Radiation emitted in the main plane of extent of the active region can therefore not emerge from the semiconductor component or can only emerge to a comparatively small extent without first passing through the radiation conversion element.
  • Such a configuration is particularly suitable for a semiconductor component in which the primary radiation is in the
  • Emission spectrum of the semiconductor component is not desired or at least not required.
  • Radiation conversion element the active area of the
  • the Semiconductor chips in plan view of the semiconductor component to a maximum of 80%.
  • the Semiconductor component also a significant part of the
  • Semiconductor component in which the primary radiation is also included in the overall spectrum, is particularly suitable for applications in which broadband emission is desired, for example for bio-sensor applications.
  • the radiation conversion element has a thickness of at most 200 ⁇ m.
  • the thickness refers to an extension perpendicular to the
  • the semiconductor chip has a carrier, a mirror layer, in particular a metallic mirror layer, being arranged between the active region and the carrier.
  • the carrier is different from a growth substrate for the active area of the semiconductor chip.
  • Such semiconductor chips are also referred to as thin-film semiconductor chips.
  • the lateral radiation is reduced in favor of increased radiation by one of the Mirror layer opposite radiation exit surface of the semiconductor chip.
  • Radiation conversion element in order to reduce lateral radiation of the semiconductor component and to improve the optical reproducibility of the emitted radiation.
  • the portion of the primary radiation can be reduced that emerges laterally from the semiconductor chip and consequently does not strike the radiation conversion element. This could increase the proportion of primary radiation in the emission spectrum, especially when it is comparatively large
  • a semiconductor layer sequence with a quantum structure is deposited on a substrate, for example by means of MBE or
  • the quantum structure is called a
  • At least one deposition surface of the substrate is formed by InP.
  • the semiconductor layer sequence is divided into the plurality of Individual radiation conversion elements.
  • a multiplicity of radiation conversion elements can therefore be produced simultaneously in a wafer assembly, with the
  • Radiation conversion elements arise when the composite is separated.
  • the substrate is at least partially from the quantum structure
  • the substrate is therefore no longer or only partially in the completed radiation conversion element, in particular with a
  • Quantum structure removed a sacrificial layer.
  • the sacrificial layer is located between the quantum structure and a rear side of the substrate facing away from the quantum structure,
  • the sacrificial layer is
  • separating nuclei are introduced into the substrate and part of the
  • the substrate is separated along the separating nuclei.
  • Separation nuclei can be introduced, for example, by ion implantation.
  • the separation can take place, for example, by heating the substrate.
  • At least part of the substrate is used in another
  • the substrate is thinned before the separation. This happens
  • the substrate is thinned, the lower the lateral emissions from the radiation conversion element can be.
  • the substrate can have a greater thickness, so that the substrate even at the comparatively high temperatures of the deposition for the
  • a material system can be used for the active area with which the primary radiation can be generated efficiently, in particular by means of electrical excitation. As a result, only a comparatively smaller wavelength is created for the generation of radiation with the desired longer wavelength technological effort, especially compared to
  • Manufacturing processes analogous to the established technology for light sources can be used to generate radiation that generates radiation that appears white to the human eye or other radiation in the visible spectral range.
  • Radiation conversion element can be the spectral
  • Requirements are adapted, for example by means of a variation of the band gap and / or the layer thickness of the
  • Quantum layers of the quantum structure In contrast to this, the emission spectrum of phosphors emitting in the infrared spectral range can hardly be changed.
  • Emission wavelengths of the secondary radiation are over the entire spectral range from 1000 nm to 1800 nm
  • a multiband emission and / or a spectrally broad emission is a variation of the
  • Quantum layers of the radiation conversion element can be easily achieved, if desired.
  • the excitation can take place with a comparatively long-wave radiation.
  • a high efficiency of the semiconductor component is achieved by a small spectral distance between the primary radiation and the secondary radiation at the same time low Stokes shift is achieved.
  • FIGS. 1A, 1B, IC, ID and IE are exemplary embodiments of a semiconductor component in a schematic sectional view (FIG. 1A) and in a schematic plan view, respectively
  • FIGS. 2A and 2B each show schematic representations of exemplary embodiments of a band structure
  • FIGS. 3A, 3B, 3C and 3D each show an exemplary embodiment for an emission spectrum of the semiconductor component
  • Figure 4 shows an illustration of possible achievable
  • FIG. 5A shows examples of measurement data for the intensity in any units as a function of the wavelength for various light-emitting diodes
  • FIG. 5B examples of measurement data for the intensity in
  • FIG. 5C examples of electro-optical intensity measurements in any units on two epitaxial substrates with different quantum structures as a function of the
  • FIGS. 6A to 6C, 7A to 7C, 8A to 8D and 9A to 9D each show an exemplary embodiment for a method for
  • an embodiment is one
  • Semiconductor component 1 shown in a sectional view along line AA ′ shown in FIG. 1B.
  • Semiconductor component 1 has a semiconductor chip 2 with an active region 20 provided for generating primary radiation.
  • the active area is located between a first semiconductor layer 21 and a second
  • the semiconductor layer 22 of the semiconductor chip is n-type and the second
  • Semiconductor layer 22 p-type or vice versa.
  • charge carriers can enter the active region 20 via the first semiconductor layer 21 and the second semiconductor layer 22 from opposite sides and recombine there with the emission of primary radiation.
  • a radiation conversion element 3 is arranged on the semiconductor chip 2.
  • the radiation conversion element 3 is attached to the semiconductor chip 2 with an adhesive layer 4.
  • the adhesive layer contains a silicone or an epoxy.
  • the adhesive layer 4 is expediently transparent to the radiation generated in the active area 20.
  • the radiation conversion element 3 has a quantum structure 30. To simplify the illustration, two quantum layers 31 and two barrier layers 32 are shown in FIG. 1A.
  • the number of quantum layers can, however, vary within wide limits, for example between and including one
  • Quantum layer and including 50 quantum layers.
  • the quantum structure 30 is on a substrate 35 of the
  • the substrate is a growth substrate for the, in particular, epitaxial deposition of the quantum structure 30.
  • the quantum structure 30 does not have to be completely contained in the semiconductor component 1, but can be completely or partially during the production of the
  • a peak wavelength of the primary radiation is, for example, in the infrared spectral range.
  • the Peak wavelength between 920 nm and 1070 nm inclusive, in particular between 940 nm and 1000 nm inclusive.
  • the active area 20 is based on
  • Material composition x, y and z are selected in particular so that the material on a GaAs substrate as
  • Growth substrate can be deposited in monocrystalline form.
  • the semiconductor chip 2 is designed as a thin-film semiconductor chip, in which the growth substrate for the semiconductor layer sequence with the active region 20 is no longer present in the finished semiconductor chip.
  • the semiconductor layer sequence with the active region 20 is fastened to a carrier 29 by means of a connecting layer 26.
  • the carrier 29 itself does not have to meet the high requirements for the crystalline purity of a
  • a particularly metallic mirror layer 25 is arranged between the active area 20 and the carrier 29, so that it is generated in the active area 20 and emitted in the direction of the carrier 29
  • Radiation is reflected and on a radiation exit surface 200 of the opposite to the carrier 29
  • the primary radiation generated in the active region 20 is at least partially converted into secondary radiation in the quantum structure 30 of the radiation conversion element 3.
  • the barrier layers are in terms of their
  • Material composition preferably chosen such that they have a band gap which is greater than an energy of the radiation of the primary radiation with the peak wavelength. This is shown in FIG. 2A with the aid of a schematic representation of the valence band Ey and conduction band EQ of the quantum structure 30.
  • the secondary radiation 6 can then be emitted with a longer wavelength, represented by an arrow. This emission occurs, for example, from a ground state of a quantum well formed by the quantum layer. So there is a direct optical excitation of the
  • the band gaps of the quantum layers 31 differ from one another only slightly or not at all. This results in a spectrally narrow-band emission spectrum.
  • FIG. 2B shows an exemplary embodiment in which at least two quantum layers 31 differ from one another with regard to their band gap.
  • the choice of material parameters for the quantum layers 31 of the quantum structure 30 is the emission spectrum of the
  • FIGS. 3A to 3D different configurations of the emission spectrum of the semiconductor component are shown, the intensity in each case in any units as Function of the wavelength l is shown.
  • the lines 901 each represent the primary radiation and the lines 902 the secondary radiation.
  • the secondary radiation has precisely one emission maximum, which represents a global maximum.
  • an emission spectrum can be achieved in which the secondary radiation has two or more spaced apart emission bands with different emission maxima 9021 or 9022.
  • the spectral distance between two emission maxima 9021, 9022 can be greater than the sum of the half widths at half maximums (HWHM) of the emission bands, so that the emission spectrum is clearly different from one another in the emission maxima
  • the spectrum of the primary radiation 901 can also have more than one emission maximum, for example an emission maximum 9011 and a further emission maximum 9012.
  • Materials which can be epitaxially deposited on InP are particularly suitable for the quantum structure 30.
  • the quantum structure has at least one
  • Peak wavelength which is at least 920 nm, for example at least 930 nm or at least 940 nm, so that the primary radiation from an InP substrate 35 of the
  • Radiation conversion element 3 and is not absorbed by barrier layers 32 made of the same material.
  • the proportion of the primary radiation in the emission spectrum of the semiconductor component 1 can also be set by means of the degree of coverage of the radiation exit area 200 of the semiconductor chip 2 with the radiation conversion element 3. This is illustrated with reference to FIGS. 1B to IE. In the embodiment shown in Figure 1B, the
  • Semiconductor chip 2 has a front-side contact 45 in a corner region of semiconductor chip 2.
  • Radiation conversion element 3 has a recess 39 so that the contact 45 for the external electrical
  • the active area 20 is completely or at least substantially completely covered, for example with a degree of coverage of at least 90 °.
  • the active area 20 of the semiconductor chip 2 only partially, for example with a degree of coverage of at most 80% or of at most 60%. As a result, a significant proportion of the primary radiation occurs to the side of the radiation conversion element 3
  • Front side 10 of the semiconductor component 1 from. This is particularly advantageous when the primary radiation is in the
  • the radiation conversion element 3 covers the active area 20 of the semiconductor chip 2 only in areas, so that a significant proportion of the radiation exit area of the semiconductor chip 2 remains free of the radiation conversion element.
  • the radiation exit surface is complete or in
  • the radiation conversion element 3 can have a simple, for example rectangular shape.
  • FIG. 4 illustrates which emission wavelength can be achieved with certain material systems.
  • the lines 905 and 906 illustrate the Lattice constant of gallium arsenide or indium phosphide. It can be seen from this that with the
  • nitride semiconductors 990 with the corner points InN, GaN and A1N is growing in contrast to the others
  • FIG. 5A measurements of the intensity of the emitted radiation are shown for different light-emitting diodes, which were each deposited on a GaAs substrate. While radiation with a peak wavelength between 950 nm and
  • This material system is therefore only suitable to a limited extent for peak wavelengths above 1000 nm.
  • FIG. 5B shows measurements of the intensity as a function of the wavelength for a light-emitting diode at two different operating currents. For this light-emitting diode, the
  • Emission wavelengths can be transmitted, as a result of which a broadened emission spectrum of the secondary radiation can be achieved (cf. FIG. 3C).
  • Curve 910 has a structure
  • a first active area has quantum layers for an emission at 810 nm and quantum layers for an emission at 1020 nm.
  • a second active area has quantum layers for emission at 850 nm and
  • Quantum layers for emission at 940 nm This procedure is also applicable to the quantum structure of the radiation conversion element described and to others
  • Emission spectrum of the secondary radiation can be achieved with individual, spaced apart emission bands (see FIG. 3D).
  • the curve 920 is based on a modified structure in which some quantum layers of the emission bands at 810 nm and 850 nm are targeted with a greater layer thickness
  • FIGS. 6A to 6C An exemplary embodiment for a method for producing a radiation conversion element is described in FIGS. 6A to 6C.
  • a semiconductor layer sequence 300 with a quantum structure 30 is epitaxially deposited on a substrate 35. This is followed by a separation into a plurality of
  • Radiation conversion elements 3 The separation takes place, for example, mechanically, for example by sawing, chemically, for example by etching, or by means of laser cutting.
  • cutouts can also be made for the radiation conversion elements to be produced. So are in a simple way
  • Radiation conversion elements can be produced which do not have a rectangular cross section (compare the radiation conversion element 3 shown in FIG. 1B with FIG. 1B with FIG. 1B
  • the individual radiation conversion elements 3 can subsequently be placed on semiconductor chips and fastened to them for the production of semiconductor components.
  • Radiation conversion elements 3 regardless of the size of the Substrates on which the semiconductor chips are manufactured. For example, less expensive 4 "substrates can be used for the radiation conversion elements, even if the semiconductor chips are manufactured on the basis of 6" processes.
  • FIGS. 7A to 7C differs from the exemplary embodiment described in connection with FIGS. 6A to 6C in that the substrate 35 is thinned after the deposition of the quantum structure 30 (FIG. 7A), for example by a mechanical one
  • Radiation conversion element 3 remaining substrate are reduced.
  • the radiation conversion element has a thickness of at most 200 ⁇ m after thinning.
  • FIGS. 8A to 8D a method is described with which the radiation conversion elements 3 are free from the
  • a sacrificial layer 37 is arranged between the substrate 35 and the quantum structure 30 (FIG. 8B). This sacrificial layer can subsequently be removed, for example by a selective etching process, so that the quantum structure 30 and the substrate 35 are separated from one another (FIG. 8C).
  • the quantum structure and substrate are separated
  • Manufacturing costs for the radiation conversion element can be further reduced. They are also particularly thin
  • Radiation conversion elements can be produced.
  • the substrate 35 has separation nuclei 38.
  • separation nuclei can for example by a
  • Ion implantation are introduced into the substrate.
  • an implantation of hydrogen ions is suitable.
  • the substrate 35 can be split up along the separation nuclei 38, for example by thermal blasting (Fig.
  • the separated part 351 can, if necessary after preparation of the surface of the substrate, as in FIG.
  • the manufacturing method described can be particularly efficient radiation in the infrared spectral range, in particular between 1000 nm and inclusive
  • the emission spectrum can be adapted to the respective applications for the
  • Semiconductor component can be adapted in a simple manner, in particular by choosing the material composition and
  • the semiconductor components are suitable as light sources for analytical applications, for example for water or moisture detection.
  • the secondary radiation can do that
  • Semiconductor component can be achieved so that the spatial radiation characteristic can be shaped in a simplified manner via a downstream optical element.
  • thin-film technology can be used, in which GaAs growth substrates are removed.

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Abstract

Es wird ein Halbleiterbauelement (1) mit einen Halbleiterchip (2) und einem Strahlungskonversionselement (3), das auf dem Halbleiterchip angeordnet ist, angegeben, wobei der Halbleiterchip einen zur Erzeugung einer Primärstrahlung (5) mit einer Peakwellenlänge vorgesehenen aktiven Bereich (20) aufweist, das Strahlungskonversionselement eine Quantenstruktur (30) aufweist, die Peakwellenlänge der Primärstrahlung im infraroten Spektralbereich liegt, und die Quantenstruktur die Primärstrahlung zumindest teilweise in Sekundärstrahlung (6) umwandelt, wobei eine Emissionswellenlänge eines Emissionsmaximums der Sekundärstrahlung größer ist als die Peakwellenlänge. Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen von Strahlungskonversionselementen angegeben.

Description

Beschreibung
HALBLEITERBAUELEMENT MIT STRAHLUNGSKONVERSIONSELEMENT UND
VERFAHREN ZUM HERSTELLEN VON STRAHLUNGSKONVERSIONSELEMENTEN
Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem Strahlungskonversionselement und ein Verfahren zum Herstellen von Strahlungskonversionselementen.
Im infraroten Spektralbereich emittierende Leuchtdioden, insbesondere mit einer Emissionswellenlänge über 1000 nm, können auf GaP-Substraten hergestellt werden. Diese Substrate sind allerdings sehr teuer und nur eingeschränkt verfügbar, zudem zeigen die bekannten Emitter eine vergleichsweise große Seitenemission, wodurch die optische Abbildbarkeit erschwert wird .
Eine Aufgabe ist es, eine effiziente Strahlungserzeugung im infraroten Spektralbereich zu erzielen.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein
Halbleiterbauelement gemäß Patentanspruch 1 beziehungsweise durch ein Verfahren zur Herstellung von
Strahlungskonversionselementen gemäß Patentanspruch 10 gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Halbleiterbauelements weist das Halbleiterbauelement einen Halbleiterchip auf. Der Halbleiterchip weist insbesondere einen zur Erzeugung einer Primärstrahlung mit einer
Peakwellenlänge vorgesehenen aktiven Bereich auf. Durch
Anlegen einer elektrischen Spannung an den Halbleiterchip können im Betrieb des Halbleiterbauelements Ladungsträger von entgegengesetzten Seiten in den aktiven Bereich gelangen und dort unter Emission von Strahlung rekombinieren .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Halbleiterbauelements weist das Halbleiterbauelement ein Strahlungskonversionselement auf. Das
Strahlungskonversionselement ist insbesondere auf dem
Halbleiterchip angeordnet, beispielsweise befestigt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Halbleiterbauelements liegt die Peakwellenlänge der
Primärstrahlung im infraroten Spektralbereich. Beispielsweise liegt die Peakwellenlänge zwischen einschließlich 900 nm und 1100 nm. Beispielsweise liegt die Peakwellenlänge zwischen einschließlich 920 nm und 1080 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Halbleiterbauelements weist das Strahlungskonversionselement eine Quantenstruktur auf.
Die Bezeichnung Quantenstruktur umfasst im Rahmen der
Anmeldung insbesondere jegliche Struktur, bei der
Ladungsträger durch Einschluss ( "confinement" ) eine
Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren können.
Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantenstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentöpfe, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Beispielsweise weist die Quantenstruktur eine Mehrzahl von Quantenschichten auf, zwischen denen Barriereschichten angeordnet sind. Zum Beispiel bilden die Quantenschichten und die Barriereschichten eine Mehrfachquantentopf (Multi Quantum Well, MQW) -Struktur . Das Strahlungskonversionselement weist beispielsweise ein für die Primärstrahlung durchlässiges Substrat auf. Das Substrat dient insbesondere der
mechanischen Stabilisierung der Quantenstruktur.
Beispielsweise ist das Substrat mindestens doppelt oder mindestens fünfmal so dick wie die Quantenstruktur. Das
Substrat ist beispielsweise ein Aufwachssubstrat für die beispielsweise epitaktische Abscheidung der Quantenstruktur. Alternativ kann das Substrat auch von dem Aufwachssubstrat für die Quantenstruktur verschieden sein. Weiterhin kann das Strahlungskonversionselement auch frei von einem Substrat sein .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Halbleiterbauelements wandelt die Quantenstruktur die
Primärstrahlung zumindest teilweise in Sekundärstrahlung um, wobei eine Emissionswellenlänge eines Emissionsmaximums der Sekundärstrahlung größer ist als die Peakwellenlänge. Das Emissionsmaximum ist beispielsweise ein globales Maximum der Sekundärstrahlung oder ein lokales Maximum der
Sekundärstrahlung .
Mittels des Strahlungskonversionselements kann eine
Strahlungserzeugung in einem Wellenlängenbereich erfolgen, welcher mit dem für den aktiven Bereich des Halbleiterchips verwendeten Materialsystem nicht ohne weiteres zu erreichen wäre. Beispielsweise liegt zumindest ein Emissionsmaximum der Sekundärstrahlung zwischen einschließlich 1000 nm und
einschließlich 1700 nm.
In mindestens einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements weist das Halbleiterbauelement einen Halbleiterchip und ein Strahlungskonversionselement auf, wobei das
Strahlungskonversionselement auf dem Halbleiterchip
angeordnet ist. Der Halbleiterchip weist einen zur Erzeugung einer Primärstrahlung mit einer Peakwellenlänge vorgesehenen aktiven Bereich auf. Das Strahlungskonversionselement weist eine Quantenstruktur auf. Die Peakwellenlänge der
Primärstrahlung liegt im infraroten Spektralbereich. Die Quantenstruktur wandelt die Primärstrahlung zumindest
teilweise in Sekundärstrahlung um, wobei eine
Emissionswellenlänge eines Emissionsmaximums der
Sekundärstrahlung größer ist als die Peakwellenlänge.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Halbleiterbauelements weist die Quantenstruktur eine Mehrzahl von Quantenschichten auf, die durch Barriereschichten
voneinander getrennt sind, wobei die Barriereschichten eine Bandlücke aufweisen, welche größer ist als eine Energie der Strahlung mit der Peakwellenlänge.
Mit anderen Worten reicht die Energie der Strahlung mit der Peakwellenlänge nicht aus, um Ladungsträger in den
Barriereschichten vom Valenzband ins Leitungsband anzuregen. Die Strahlungsabsorption der Primärstrahlung im
Strahlungskonversionselement erfolgt also im Wesentlichen direkt innerhalb der Quantenschichten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Halbleiterbauelements weist die Quantenstruktur zumindest zwei Quantenschichten auf, welche sich bezüglich ihrer
Bandlücke voneinander unterscheiden. Mit anderen Worten weist das Emissionsspektrum der Quantenstruktur zumindest zwei Emissionsbanden auf, deren Emissionsmaxima voneinander verschieden sind. Beispielsweise ist ein spektraler Abstand zwischen zwei Emissionsmaxima der Sekundärstrahlung größer als die Summe der halben Halbwertsbreite der Emissionsmaxima. Die Emissionsmaxima sind im Emissionsspektrum deutlich aufgelöst. Alternativ kann der spektrale Abstand zwischen benachbarten Maxima so klein sein, dass die Überlagerung der Emissionsbanden insgesamt zu einem verbreiterten
Emissionsspektrum führt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Halbleiterbauelements weist die Quantenstruktur eine
Gitterkonstante von InP auf. Das für die Quantenstruktur verwendete Halbleitermaterial ist also auf einem InP
aufweisenden Aufwachssubstrat epitaktisch abscheidbar, beispielsweise mittels MBE oder MOVPE . Das Material kann gitterangepasst oder verspannt ausgebildet werden, solange die Verspannungen keine Risse im Kristall verursachen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Halbleiterbauelements weist die Quantenstruktur zumindest ein Material aus der Gruppe der folgenden Materialsysteme auf:
Gax In]__x ASy P]_—y, Inx Ga]__x ASy Sb]__y, Inx Ga]__x As, Inx
Ga]__x Py Sb]__y, Inx Al]__x Py Sb]__y, wobei x und y jeweils so gewählt sind, dass eine Gitterkonstante des Materials
derjenigen von InP entspricht. Hierbei gilt jeweils x < 1 und y < 1. Insbesondere können mit den genannten
Halbleitermaterialien direkte Bandlücken erzielt werden, sodass sowohl eine Lichtabsorption als auch eine Emission effizient stattfinden können.
Dass die Gitterkonstante des Materials derjenigen von InP entspricht, bedeutet, dass die intrinsische Gitterkonstante des Materials gleich derjenigen von InP ist oder dass die Abweichungen zumindest nur so gering sind, dass das Material verspannt auf InP aufwächst, ohne zu relaxieren.
Beispielsweise unterscheidet sich eine intrinsische
Gitterkonstante des Materials für die Quantenstruktur um höchstens 2 %, insbesondere um höchstens 1 % von der
Gitterkonstante von InP.
Mit den genannten Materialien können Emissionswellenlängen zwischen einschließlich 1000 nm und einschließlich 1700 nm zuverlässig erreicht werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Halbleiterbauelements überdeckt das
Strahlungskonversionselement den aktiven Bereich des
Halbleiterchips in Draufsicht auf das Halbleiterbauelement zu mindestens 90 %. Insbesondere kann das
Strahlungskonversionselement den aktiven Bereich auch
vollständig überdecken. Senkrecht zu einer
Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs abgestrahlte Strahlung kann also nicht oder nur zu einem vergleichsweise geringen Anteil aus dem Halbleiterbauelement austreten, ohne zuvor das Strahlungskonversionselement zu passieren. Eine derartige Ausgestaltung eignet sich insbesondere für ein Halbleiterbauelement, bei dem die Primärstrahlung im
Emissionsspektrum des Halbleiterbauelements nicht gewünscht oder zumindest nicht erforderlich ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Halbleiterbauelements überdeckt das
Strahlungskonversionselement den aktiven Bereich des
Halbleiterchips in Draufsicht auf das Halbleiterbauelement zu höchstens 80 %. In diesem Fall tritt aus dem Halbleiterbauelement auch ein signifikanter Teil der
Primärstrahlung aus. Dadurch vergrößert sich insgesamt die spektrale Breite des Emissionsspektrums. Ein
Halbleiterbauelement, bei dem auch die Primärstrahlung im Gesamtspektrum enthalten ist, eignet sich insbesondere für Anwendungen, bei denen eine breitbandige Emission gewünscht ist, beispielsweise für Bio-Sensorik-Anwendungen .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Halbleiterbauelements weist das Strahlungskonversionselement eine Dicke von höchstens 200 pm auf. Die Dicke bezieht sich hierbei auf eine Ausdehnung senkrecht zur
Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs. Je dünner das Strahlungskonversionselement ist, desto weniger Strahlung wird im Betrieb des Halbleiterbauelements seitlich aus dem Strahlungskonversionselement abgestrahlt. Die insgesamt abgestrahlte Strahlung kann so leichter von einem dem
Halbleiterbauelement nachgeordneten optischen Element geformt werden .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Halbleiterbauelements weist der Halbleiterchip einen Träger auf, wobei zwischen dem aktiven Bereich und dem Träger eine Spiegelschicht, insbesondere eine metallische Spiegelschicht, angeordnet ist.
Insbesondere ist der Träger von einem Aufwachssubstrat für den aktiven Bereich des Halbleiterchips verschieden.
Derartige Halbleiterchips werden auch als Dünnfilm- Halbleiterchips bezeichnet. Bei einem solchen Dünnfilm- Halbleiterchip verringert sich die seitliche Abstrahlung zugunsten einer vermehrten Abstrahlung durch eine der Spiegelschicht gegenüberliegende Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips.
Insbesondere eignet sich ein Dünnfilm-Halbleiterchip in
Verbindung mit dem beschriebenen
Strahlungskonversionselement, um eine seitliche Abstrahlung des Halbleiterbauelements zu verringern und die optische Abbildbarkeit der emittierten Strahlung zu verbessern. Zudem kann der Anteil der Primärstrahlung verringert werden, der seitlich aus dem Halbleiterchip austritt und folglich nicht auf das Strahlungskonversionselement trifft. Dadurch könnte sich der Anteil der Primärstrahlung am Emissionsspektrum erhöhen, insbesondere bei vergleichsweise großen
Abstrahlwinkeln .
Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen einer Mehrzahl von Strahlungskonversionselementen angegeben.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens wird eine Halbleiterschichtenfolge mit einer Quantenstruktur auf einem Substrat abgeschieden, beispielsweise mittels MBE oder
MOVPE .
Die Quantenstruktur wird beispielsweise als eine
einkristalline Schicht gitterangepasst auf einem InP
aufweisenden Substrat abgeschieden. Insbesondere ist
zumindest eine Abscheideoberfläche des Substrats durch InP gebildet. Dadurch können hohe Schichtqualitäten mit optimaler Absorptions- und Emissionseffizienz besonders zuverlässig erreicht werden.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens wird die Halbleiterschichtenfolge in die Mehrzahl von Strahlungskonversionselementen vereinzelt. Es kann also eine Vielzahl von Strahlungskonversionselementen gleichzeitig in einem Waferverbund hergestellt werden, wobei die
Strahlungskonversionselemente beim Vereinzeln des Verbunds entstehen .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Substrat zumindest teilweise von der Quantenstruktur
entfernt, insbesondere vor dem Vereinzeln. Das Substrat ist im fertiggestellten Strahlungskonversionselement also nicht mehr oder nur noch zum Teil, insbesondere mit einer
verringerten Dicke, vorhanden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird zum zumindest teilweisen Entfernen des Substrats von der
Quantenstruktur eine Opferschicht entfernt. Die Opferschicht befindet sich zwischen der Quantenstruktur und einer der Quantenstruktur abgewandten Rückseite des Substrats,
beispielsweise zwischen der Quantenstruktur und einer
Abscheidefläche des Substrats. Die Opferschicht ist
beispielsweise eine Schicht, welche durch ein chemisches Verfahren einfach und zuverlässig entfernt werden kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden Trennkeime in das Substrat eingebracht und ein Teil des
Substrats wird entlang der Trennkeime abgetrennt. Die
Trennkeime können beispielsweise durch Ionen-Implantation eingebracht werden. Das Abtrennen kann beispielsweise mittels Erhitzens des Substrats erfolgen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird zumindest ein Teil des Substrats in einem weiteren
Herstellungszyklus des Verfahrens für die Abscheidung einer Halbleiterschichtenfolge mit einer Quantenstruktur wiederverwendet. Dadurch können die Herstellungskosten für die Strahlungskonversionselemente weiter reduziert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Substrat vor dem Vereinzeln gedünnt. Dies erfolgt
beispielsweise durch ein mechanisches Verfahren, etwa durch Schleifen, Polieren oder Läppen. Je stärker das Substrat gedünnt wird, desto geringer können die seitlichen Emissionen aus dem Strahlungskonversionselement sein. Während der
Abscheidung der Halbleiterschichtenfolge für die
Quantenstruktur kann das Substrat dagegen eine größere Dicke aufweisen, sodass das Substrat auch bei den vergleichsweise hohen Temperaturen der Abscheidung für die
Halbleiterschichtenfolge eine hinreichende mechanische
Stabilität aufweist.
Das beschriebene Verfahren ist für die Herstellung eines weiter oben beschriebenen Strahlungskonversionselements besonders geeignet. Im Zusammenhang mit den Verfahren
beschriebenen Merkmale können daher auch für das
Strahlungskonversionselement herangezogen werden und
umgekehrt .
Mit dem beschriebenen Halbleiterbauelement beziehungsweise dem beschriebenen Verfahren können insbesondere die folgenden Effekte erzielt werden.
Für den aktiven Bereich kann ein Materialsystem Anwendung finden, mit dem die Primärstrahlung effizient erzeugt werden kann, insbesondere durch eine elektrische Anregung. Dadurch entsteht für die Erzeugung von Strahlung mit der gewünschten größeren Wellenlänge nur ein vergleichsweise geringer technologischer Aufwand, insbesondere im Vergleich zur
Etablierung eines neuen Materialsystems für die
Halbleiterchips .
Es können für die Herstellung der Halbleiterchips
Fertigungsprozesse analog zur etablierten Technologie für Lichtquellen zur Erzeugung von Strahlung, die für das menschliche Auge weiß erscheinende Strahlung oder andere Strahlung im sichtbaren Spektralbereich erzeugen, genutzt werden .
Mittels eines eine Quantenstruktur aufweisenden
Strahlungskonversionselements kann die spektrale
Charakteristik der Abstrahlung des Halbleiterbauelements besonders einfach und zuverlässig an vorgegebene
Anforderungen angepasst werden, beispielsweise mittels einer Variation der Bandlücke und/oder der Schichtdicke der
Quantenschichten der Quantenstruktur. Im Unterschied hierzu ist das Emissionsspektrum von im infraroten Spektralbereich emittierenden Leuchtstoffen kaum veränderbar. Die
Emissionswellenlängen der Sekundärstrahlung sind über den gesamten Spektralbereich von 1000 nm bis 1800 nm
durchstimmbar .
Weiterhin ist eine Multiband-Emissionen und/oder eine spektral breite Emission über eine Variation der
Quantenschichten des Strahlungskonversionselements leicht erzielbar, sofern gewünscht.
Die Anregung kann mit einer vergleichsweise langwelligen Strahlung erfolgen. Durch einen geringen spektralen Abstand zwischen der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung wird eine hohe Effizienz des Halbleiterbauelements bei gleichzeitig geringer Stokes-Verschiebung (Stokes Shift) erreicht .
Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in
Verbindung mit den Figuren.
Es zeigen:
Die Figuren 1A, 1B, IC, ID und IE Ausführungsbeispiele für ein Halbleiterbauelement in schematischer Schnittansicht (Figur 1A) beziehungsweise in schematischer Draufsicht
(Figuren 1B bis IE) ; die Figuren 2A und 2B jeweils schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen einer Bandstruktur eines
Strahlungskonversionselements ; die Figuren 3A, 3B, 3C und 3D jeweils ein Ausführungsbeispiel für ein Emissionsspektrum des Halbleiterbauelements;
Figur 4 eine Veranschaulichung möglicher erzielbarer
Emissionswellenlänge mit verschiedenen
Halbleitermaterialsystemen, wobei die Bandlücke Eg (linke Skala) und die zugehörige Emissionswellenlänge l (rechte Skala) als Funktion der Gitterkonstanten d dargestellt sind;
Figur 5A Beispiele von Messdaten für die Intensität in beliebigen Einheiten in Abhängigkeit von der Wellenlänge für verschiedene Leuchtdioden;
Figur 5B Beispiele von Messdaten für die Intensität in
Abhängigkeit von der Wellenlänge für eine Leuchtdiode bei zwei verschiedenen Strömen in linearer Skala in beliebigen Einheiten (links) und in entsprechender logarithmischer Skala ( rechts ) ;
Figur 5C Beispiele von elektrooptischen Intensitätsmessungen in beliebigen Einheiten an zwei Epitaxiesubstraten mit verschiedenen Quantenstrukturen in Abhängigkeit von der
Wellenlänge ; die Figuren 6A bis 6C, 7A bis 7C, 8A bis 8D und 9A bis 9D jeweils ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur
Herstellung von Strahlungskonversionselementen anhand von schematisch dargestellten Zwischenschritten.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Figuren sind jeweils schematische Darstellungen und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu. Vielmehr können
vergleichsweise kleine Elemente und insbesondere
Schichtdicken zur Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt sein .
In Figur 1A ist ein Ausführungsbeispiel eines
Halbleiterbauelements 1 in einer Schnittansicht entlang der in Figur 1B gezeigten Linie AA' dargestellt. Das
Halbleiterbauelement 1 weist einen Halbleiterchip 2 mit einem zur Erzeugung einer Primärstrahlung vorgesehenen aktiven Bereich 20 auf. Der aktive Bereich befindet sich zwischen einer ersten Halbleiterschicht 21 und einer zweiten
Halbleiterschicht 22 des Halbleiterchips. Zum Beispiel ist die erste Halbleiterschicht 21 n-leitend und die zweite
Halbleiterschicht 22 p-leitend oder umgekehrt. Durch Anlegen einer externen elektrischen Spannung zwischen einem Kontakt 45 und einem weiteren Kontakt 46 des Halbleiterchips können Ladungsträger über die erste Halbleiterschicht 21 und die zweite Halbleiterschicht 22 von entgegengesetzten Seiten in den aktiven Bereich 20 gelangen und dort unter Emission von Primärstrahlung rekombinieren .
Auf dem Halbleiterchip 2 ist ein Strahlungskonversionselement 3 angeordnet. Das Strahlungskonversionselement 3 ist mit einer Haftschicht 4 an dem Halbleiterchip 2 befestigt.
Beispielsweise enthält die Haftschicht ein Silikon oder ein Epoxid. Die Haftschicht 4 ist zweckmäßigerweise für die im aktiven Bereich 20 erzeugte Strahlung durchlässig.
Das Strahlungskonversionselement 3 weist eine Quantenstruktur 30 auf. Zur vereinfachten Darstellung sind in Figur 1A zwei Quantenschichten 31 und zwei Barriereschichten 32 gezeigt.
Die Zahl der Quantenschichten kann jedoch in weiten Grenzen variieren, beispielsweise zwischen einschließlich einer
Quantenschicht und einschließlich 50 Quantenschichten.
Die Quantenstruktur 30 ist auf einem Substrat 35 des
Strahlungskonversionselements 3 angeordnet. Beispielsweise ist das Substrat ein Aufwachssubstrat für die insbesondere epitaktische Abscheidung der Quantenstruktur 30. Das
Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichten der
Quantenstruktur 30 muss im Halbleiterbauelement 1 jedoch nicht vollständig enthalten sein, sondern kann vollständig oder teilweise während der Herstellung des
Strahlungskonversionselements 3 entfernt worden sein.
Eine Peakwellenlänge der Primärstrahlung liegt beispielsweise im infraroten Spektralbereich. Beispielsweise liegt die Peakwellenlänge zwischen einschließlich 920 nm und einschließlich 1070 nm, insbesondere zwischen einschließlich 940 nm und 1000 nm.
Beispielsweise basiert der aktive Bereich 20 des
Halbleiterchips 2 auf dem Materialsystem
Inx Gay Al]__x_y Asz P]_-z. Die Parameter der
Materialzusammensetzung x, y und z sind insbesondere so gewählt, dass das Material auf einem GaAs-Substrat als
Aufwachssubstrat einkristallin abscheidbar ist.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Halbleiterchip 2 als ein Dünnfilm-Halbleiterchip ausgebildet, bei dem das Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge mit dem aktiven Bereich 20 im fertigen Halbleiterchip nicht mehr vorhanden ist. Die Halbleiterschichtenfolge mit dem aktiven Bereich 20 ist mittels einer Verbindungsschicht 26 an einem Träger 29 befestigt. Der Träger 29 selbst muss nicht die hohen Anforderungen an die kristalline Reinheit eines
Aufwachssubstrats erfüllen. Zwischen dem aktiven Bereich 20 und dem Träger 29 ist weiterhin eine insbesondere metallische Spiegelschicht 25 angeordnet, sodass im aktiven Bereich 20 erzeugte und in Richtung des Trägers 29 abgestrahlte
Strahlung reflektiert wird und auf einer dem Träger 29 gegenüberliegenden Strahlungsaustrittsfläche 200 des
Halbleiterchips 2 austritt.
Die im aktiven Bereich 20 erzeugte Primärstrahlung wird in der Quantenstruktur 30 des Strahlungskonversionselements 3 zumindest teilweise in Sekundärstrahlung konvertiert.
Die Barriereschichten sind hinsichtlich ihrer
Materialzusammensetzung vorzugsweise derart gewählt, dass sie eine Bandlücke aufweisen, welche größer ist als eine Energie der Strahlung der Primärstrahlung mit der Peakwellenlänge. Dies ist in Figur 2A anhand einer schematischen Darstellung von Valenzband Ey und Leitungsband EQ der Quantenstruktur 30 gezeigt. Die Primärstrahlung 5, dargestellt durch einen
Pfeil, wird nicht in den Barriereschichten 32, sondern in den Quantenschichten 31 absorbiert. Eine dadurch resultierende Anregung 51 ist durch einen Pfeil veranschaulicht.
Nachfolgend kann die Sekundärstrahlung 6 mit einer größeren Wellenlänge, dargestellt durch einen Pfeil, emittiert werden. Diese Emission erfolgt beispielsweise von einem Grundzustand eines durch die Quantenschicht gebildeten Quantentopfs. Es erfolgt also eine direkte optische Anregung der
Quantenschichten 31 und damit eine besonders effiziente
Strahlungskonversion .
Bei dem in Figur 2A dargestellten Ausführungsbeispiel
unterscheiden sich die Bandlücken der Quantenschichten 31 nicht oder nur geringfügig voneinander. Dadurch ergibt sich ein spektral schmalbandiges Emissionsspektrum.
Im Unterschied hierzu ist in Figur 2B ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem sich mindestens zwei Quantenschichten 31 bezüglich ihrer Bandlücke voneinander unterscheiden. Über die Wahl der Materialparameter für die Quantenschichten 31 der Quantenstruktur 30 ist das Emissionsspektrum des
Halbleiterbauelements einfach und zuverlässig an eine
vorgegebene Abstrahlcharakteristik anpassbar.
In den Figuren 3A bis 3D sind verschiedene Ausgestaltungen des Emissionsspektrums des Halbleiterbauelements gezeigt, wobei jeweils die Intensität in beliebigen Einheiten als Funktion der Wellenlänge l dargestellt ist. Die Linien 901 stellen jeweils die Primärstrahlung und die Linien 902 die Sekundärstrahlung dar. Bei dem in Figur 3A dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Sekundärstrahlung genau ein Emissionsmaximum auf, welches ein globales Maximum darstellt.
Durch voneinander verschiedene Quantenschichten kann jedoch auch, wie in Figur 3B dargestellt, ein Emissionsspektrum erzielt werden, bei dem die Sekundärstrahlung zwei oder mehr voneinander beabstandete Emissionsbanden mit voneinander verschiedenen Emissionsmaxima 9021 beziehungsweise 9022 aufweist. Beispielsweise kann der spektrale Abstand zwischen zwei Emissionsmaxima 9021, 9022 größer sein als die Summe der halben Halbwertsbreiten (half width at half maximum, HWHM) der Emissionsbanden, sodass das Emissionsspektrum deutlich voneinander verschiedene Emissionsmaxima in der
Sekundärstrahlung aufweist.
Alternativ kann der Abstand zwischen benachbarten
Emissionsmaxima auch geringer sein, wie in Figur 3C
dargestellt ist. In diesem Fall können sich die
Emissionsmaxima 9021, 9022 und 9023 zu einem gemeinsamen spektral verbreiterten Emissionspeak überlagern, sodass sich das Halbleiterbauelement 1 spektral durch eine besonders breite Abstrahlung auszeichnet. Durch gezieltes Variieren der Quantenschichten kann also das Emissionsspektrum der
Sekundärstrahlung verbreitert werden.
Auch das Spektrum der Primärstrahlung 901 kann, wie in Figur 3D veranschaulicht, mehr als ein Emissionsmaximum aufweisen, beispielsweise ein Emissionsmaximum 9011 und ein weiteres Emissionsmaximum 9012. Besonders geeignet für die Quantenstruktur 30 sind Materialien, welche auf InP epitaktisch abscheidbar sind.
Beispielsweise weist die Quantenstruktur zumindest ein
Material aus der Gruppe der folgenden Materialsysteme auf:
Gax In]__x ASy P]_—y, Inx Ga]__x ASy Sb]__y, Inx Ga]__x As, Inx
Ga]__x Py Sb]__y, Inx Al]__x Py Sb]__y, wobei x und y jeweils so gewählt sind, dass die Gitterkonstante des Materials
derjenigen von InP entspricht oder zumindest nahe kommt.
Für die Primärstrahlung eignet sich insbesondere eine
Peakwellenlänge, welche mindestens 920 nm, beispielsweise mindestens 930 nm oder mindestens 940 nm, beträgt, sodass die Primärstrahlung von einem InP-Substrat 35 des
Strahlungskonversionselements 3 und von Barriereschichten 32 aus demselben Material nicht absorbiert wird.
Der Anteil der Primärstrahlung im Emissionsspektrum des Halbleiterbauelements 1 ist auch mittels des Bedeckungsgrads der Strahlungsaustrittsfläche 200 des Halbleiterchips 2 mit dem Strahlungskonversionselement 3 einstellbar. Dies ist anhand der Figuren 1B bis IE veranschaulicht. Bei dem in Figur 1B dargestellten Ausführungsbeispiel weist der
Halbleiterchip 2 einen vorderseitigen Kontakt 45 in einem Eckbereich des Halbleiterchips 2 auf. Das
Strahlungskonversionselement 3 weist eine Aussparung 39 auf, sodass der Kontakt 45 für die externe elektrische
Kontaktierung des Halbleiterbauelements 1 zugänglich ist, beispielsweise mittels einer Drahtbondverbindung. Der aktive Bereich 20 ist vollständig oder zumindest im Wesentlichen vollständig, beispielsweise mit einem Bedeckungsgrad von mindestens 90°, überdeckt. Die durch die
Strahlungsaustrittsfläche 200 austretende Primärstrahlung muss also das Strahlungskonversionselement 3 durchlaufen, bevor sie an einer Vorderseite 10 des Halbleiterbauelements 1 austreten kann.
Im Unterschied hierzu bedeckt das
Strahlungskonversionselement 3 bei dem in Figur IC
dargestellten Ausführungsbeispiel den aktiven Bereich 20 des Halbleiterchips 2 nur teilweise, beispielsweise mit einem Bedeckungsgrad von höchstens 80 % oder von höchstens 60 %. Dadurch tritt ein signifikanter Anteil der Primärstrahlung seitlich des Strahlungskonversionselements 3 an der
Vorderseite 10 des Halbleiterbauelements 1 aus. Dies ist insbesondere günstig, wenn die Primärstrahlung im
Emissionsspektrum des Halbleiterbauelements 1 gewünscht ist.
Die Ausführungsbeispiele in den Figuren ID und IE
unterscheiden sich von den Ausführungsbeispielen gemäß Figur 1B und IC dadurch, dass der Kontakt 45 nicht in einem
Eckbereich, sondern entlang einer Seitenfläche 27 des
Halbleiterchips 2 verläuft. Bei dem in Figur ID dargestellten Ausführungsbeispiel bedeckt das Strahlungskonversionselement 3, wie im Zusammenhang mit Figur IC beschrieben, den aktiven Bereich 20 des Halbleiterchips 2 nur bereichsweise, sodass ein signifikanter Anteil der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips 2 frei von dem Strahlungskonversionselement bleibt. Bei dem in Figur IE dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Strahlungsaustrittsfläche vollständig oder im
Wesentlichen vollständig von dem Strahlungskonversionselement 3 bedeckt. Hierfür kann das Strahlungskonversionselement eine einfache, beispielsweise rechteckige Form aufweisen.
In Figur 4 ist veranschaulicht, welche Emissionswellenlänge mit bestimmten Materialsystemen erreicht werden können. Die Linien 905 und 906 veranschaulichen hierbei die Gitterkonstante von Galliumarsenid beziehungsweise Indiumphosphid . Hieraus ist ersichtlich, dass mit der
Gitterkonstante von Galliumarsenid eine Emission im
Spektralbereich zwischen einschließlich 1000 nm und
einschließlich 1700 nm nicht ohne weiteres erzielbar ist. Das Materialsystem der Nitridhalbleiter 990 mit den Eckpunkten InN, GaN und A1N wächst im Unterschied zu den übrigen
dargestellten Materialsystemen nicht in der Zinkblende- Struktur, sondern in der Wurtzit-Struktur auf und ist deshalb nicht ohne Weiteres mit den übrigen dargestellten
Materialsystemen kombinierbar.
Mit der Gitterkonstante von InP ist Spektralbereich zwischen einschließlich 1000 nm und einschließlich 1700 nm jedoch erreichbar. Dies ist anhand eines Pfeils 908 zwischen zwei Linien 907 veranschaulicht.
In Figur 5A sind Messungen der Intensität der abgestrahlten Strahlung für verschiedene Leuchtdioden, die jeweils auf einem GaAs-Substrat abgeschieden wurden, dargestellt. Während Strahlung mit einer Peakwellenlänge zwischen 950 nm und
1000 nm effizient erzeugt werden kann, sinkt die Intensität für Vergleichsproben mit Peakwellenlängen über 1000 nm deutlich. Für eine direkte Strahlungserzeugung mit
Peakwellenlängen über 1000 nm ist dieses Materialsystem also nur bedingt geeignet.
In Figur 5B sind Messungen der Intensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge für eine Leuchtdiode bei zwei verschiedenen Betriebsströmen gezeigt. Für diese Leuchtdiode wurden im aktiven Bereich bei einigen Quantenschichten die
Schichtdicken vergrößert. Dadurch ergeben sich zwei
Emissionsbanden, welche um etwa 15 nm voneinander beabstandet sind. Dies resultiert in einem verbreiterten
Emissionsspektrum. Dieses Vorgehen ist auch auf die
Quantenstruktur des beschriebenen
Strahlungskonversionselements und auf andere
Emissionswellenlängen übertragbar, wodurch ein verbreitertes Emissionsspektrum der Sekundärstrahlung erzielbar ist (vgl. Figur 3C) .
In Figur 5C sind elektrooptische Messungen für zwei Substrate dargestellt, auf denen jeweils zwei aktive Bereiche, die über einen Tunnelübergang miteinander elektrisch verbunden sind, abgeschieden sind. Der Kurve 910 liegt eine Struktur
zugrunde, bei der ein erster aktiver Bereich Quantenschichten für eine Emission bei 810 nm und Quantenschichten für eine Emission bei 1020 nm aufweist. Ein zweiter aktiver Bereich weist Quantenschichten für eine Emission bei 850 nm und
Quantenschichten für eine Emission bei 940 nm auf. Dieses Vorgehen ist auch auf die Quantenstruktur des beschriebenen Strahlungskonversionselements und auf andere
Emissionswellenlängen übertragbar, wodurch ein
Emissionsspektrum der Sekundärstrahlung mit einzelnen, voneinander beabstandeten Emissionsbanden erzielbar ist (vgl. Figur 3D) .
Die Kurve 920 basiert auf einer modifizierten Struktur, bei der einige Quantenschichten der Emissionsbanden bei 810 nm und 850 nm gezielt mit einer größeren Schichtdicke
ausgebildet wurden. Dadurch ergibt sich eine zusätzliche Emission bei etwas größeren Wellenlängen. Das Spektrum weist also einzelne Emissionsbanden auf, wobei die Emissionspeaks teilweise gezielt verbreitert sind. Insgesamt belegen die Messergebnisse der Figuren 5B und 5C die große Flexibilität in der Gestaltung des
Emissionsspektrums einer Quantenstruktur.
In den Figuren 6A bis 6C ist ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlungskonversionselements beschrieben. Auf einem Substrat 35 wird, wie in Figur 6B dargestellt, eine Halbleiterschichtenfolge 300 mit einer Quantenstruktur 30 epitaktisch abgeschieden. Nachfolgend erfolgt eine Vereinzelung in eine Mehrzahl von
Strahlungskonversionselementen 3. Das Vereinzeln erfolgt beispielsweise mechanisch, etwa durch Sägen, chemisch, etwa durch Ätzen, oder mittels Lasertrennens.
Vor oder während des Vereinzeins können auch Aussparungen für die herzustellenden Strahlungskonversionselemente realisiert werden. So sind auf einfache Weise
Strahlungskonversionselemente herstellbar, welche keinen rechteckigen Querschnitt aufweisen (vergleiche das in Figur 1B dargestellte Strahlungskonversionselement 3 mit der
Aussparung 39) .
Die so hergestellten Strahlungskonversionselemente können im Übrigen wie im Zusammenhang mit den vorangegangenen Figuren beschrieben ausgebildet sein und werden daher an dieser
Stelle nicht näher erläutert.
Die vereinzelten Strahlungskonversionselemente 3 können nachfolgend zur Herstellung von Halbleiterbauelementen auf Halbleiterchips aufgesetzt und an diesen befestigt werden.
Dadurch ist die Größe der Substrate 35 für die
Strahlungskonversionselemente 3 unabhängig von der Größe der Substrate, auf welcher die Herstellung der Halbleiterchips erfolgt. So können beispielsweise kostengünstigere 4"- Substrate für die Strahlungskonversionselemente verwendet werden, auch wenn die Herstellung der Halbleiterchips auf der Basis von 6"-Prozessen erfolgt.
Das in den Figuren 7A bis 7C dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem im Zusammenhang mit den Figuren 6A bis 6C beschriebenen Ausführungsbeispiel dadurch, dass das Substrat 35 nach der Abscheidung der Quantenstruktur 30 (Fig. 7A) gedünnt wird, beispielsweise durch ein mechanisches
Verfahren wie Schleifen (Fig. 7B) . Nachfolgend erfolgt das Vereinzeln (Fig. IC) . Dadurch kann die Dicke des im
Strahlungskonversionselement 3 verbleibenden Substrats verringert werden. Je geringer die Dicke des Substrats ist, desto geringer kann der Anteil der Strahlung sein, welcher seitlich aus dem Strahlungskonversionselement austritt.
Beispielsweise weist das Strahlungskonversionselement nach dem Dünnen eine Dicke von höchstens 200 pm auf.
In den Figuren 8A bis 8D ist ein Verfahren beschrieben, mit dem die Strahlungskonversionselemente 3 frei von dem
ursprünglichen Substrat hergestellt werden können. Hierfür ist zwischen dem Substrat 35 und der Quantenstruktur 30 eine Opferschicht 37 angeordnet (Figur 8B) . Diese Opferschicht kann nachfolgend entfernt werden, beispielsweise durch ein selektives Ätzverfahren, sodass die Quantenstruktur 30 und das Substrat 35 voneinander getrennt werden (Fig. 8C) .
Das Trennen von Quantenstruktur und Substrat erfolgt
zweckmäßigerweise vor dem Vereinzeln (Fig. 8D) , sodass das Substrat 35 in einem weiteren Herstellungszyklus erneut für die Abscheidung einer Halbleiterschichtenfolge verwendet werden kann. Durch diese Wiederverwendung des vergleichsweise kostenintensiven Aufwachssubstrats können die
Herstellungskosten für das Strahlungskonversionselement weiter reduziert werden. Zudem sind besonders dünne
Strahlungskonversionselemente herstellbar.
Bei dem in den Figuren 9A bis 9D beschriebenen
Ausführungsbeispiel weist das Substrat 35 Trennkeime 38 auf. Diese Trennkeime können beispielsweise durch eine
Ionenimplantation in das Substrat eingebracht werden.
Beispielsweise eignet sich eine Implantation von Wasserstoff- Ionen .
Dies kann bereits vor der Abscheidung der
Halbleiterschichtenfolge für die Quantenstruktur 30 (Fig. 9B) erfolgen. Davon abweichend ist auch denkbar, zuerst die
Quantenstruktur 30 abzuscheiden und nachfolgend die
Trennkeime 38 auszubilden.
Entlang der Trennkeime 38 kann das Substrat 35 aufgespalten werden, beispielsweise durch thermisches Absprengen (Fig.
9C) . Dadurch entsteht ein abgetrennter Teil 351 des
Substrats .
Abschließend kann die Vereinzelung wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen beschrieben erfolgen (Fig. 9D) .
Der abgetrennte Teil 351 kann, gegebenenfalls nach einer Aufbereitung der Oberfläche des Substrats, wie im
Zusammenhang mit den Figuren 8A bis 8D beschrieben, wieder verwendet werden. Mit dem beschriebenen Halbleiterbauelement 1 und dem
beschriebenen Herstellungsverfahren kann auf besonders effiziente Weise Strahlung im infraroten Spektralbereich, insbesondere zwischen einschließlich 1000 nm und
einschließlich 1700 nm, erzeugt werden. Das Emissionsspektrum kann an die jeweiligen Anwendungen für das
Halbleiterbauelement auf einfache Weise angepasst werden, insbesondere durch Wahl der Materialzusammensetzung und
Schichtdicken für die Quantenschichten der Quantenstruktur.
Beispielsweise eignen sich die Halbleiterbauelemente als Lichtquellen für Analytikanwendungen, etwa zur Wasser- oder Feuchtedetektion. Die Sekundärstrahlung kann das
Emissionsspektrum des Halbleiterbauelements alleine bilden oder zusätzlich zur Primärstrahlung vorhanden sein.
Weiterhin kann, insbesondere in Verbindung mit einem als Dünnfilm-Halbleiterchip ausgebildeten Halbleiterchip 2, eine überwiegende Strahlungsemission an der Vorderseite des
Halbleiterbauelements erzielt werden, sodass die räumliche Abstrahlcharakteristik über ein nachgeordnetes optisches Element vereinfacht formbar ist.
Hierfür kann auf Dünnfilm-Technologie zurückgegriffen werden, bei welcher GaAs-Aufwachssubstrate entfernt werden.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2019 115 351.4, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele 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 den Ausführungsbeispielen angegeben ist .
Bezugszeichenliste
1 Halbleiterbauelement
10 Vorderseite
2 Halbleiterchip
20 aktiver Bereich
200 Strahlungsaustrittsfläche
21 erste Halbleiterschicht
22 zweite Halbleiterschicht
25 Spiegelschicht
26 Verbindungsschicht
27 Seitenfläche
29 Träger
3 Strahlungskonversionselement
30 Quantenstruktur
300 Halbleiterschichtenfolge
31 Quantenschicht
32 Barriereschicht
35 Substrat
351 abgetrennter Teil
37 Opferschicht
38 Trennkeim
39 Aussparung
4 Haftschicht
45 Kontakt
46 weiterer Kontakt
5 Primärstrahlung
51 Anregung
6 Sekundärstrahlung
901 Kurve
9011 Maximum
9012 Maximum
902 Kurve 9021 Maximum
9022 Maximum
9023 Maximum
905 Linie
906 Linie
907 Linie
908 Pfeil
910 Kurve
920 Kurve
990 Materialsystem der Nitridhalbleiter

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiterbauelement (1) mit einen Halbleiterchip (2) und einem Strahlungskonversionselement (3), das auf dem
Halbleiterchip angeordnet ist, wobei
- der Halbleiterchip einen zur Erzeugung einer
Primärstrahlung (5) mit einer Peakwellenlänge vorgesehenen aktiven Bereich (20) aufweist;
- das Strahlungskonversionselement eine Quantenstruktur (30) aufweist;
- die Quantenstruktur eine Mehrzahl von
Quantenschichten (31) aufweist, die durch
Barriereschichten (32) voneinander getrennt sind;
- die Peakwellenlänge der Primärstrahlung im infraroten Spektralbereich liegt; und
- die Quantenstruktur die Primärstrahlung zumindest
teilweise in Sekundärstrahlung (6) umwandelt, wobei eine Emissionswellenlänge eines Emissionsmaximums der Sekundärstrahlung größer ist als die Peakwellenlänge.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1,
wobei die Barriereschichten (32) eine Bandlücke aufweisen, welche größer ist als eine Energie der Strahlung mit der Peakwellenlänge .
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Quantenstruktur zumindest zwei Quantenschichten aufweist, welche sich bezüglich ihrer Bandlücke voneinander unterscheiden .
4. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei die Quantenstruktur eine Gitterkonstante von InP aufweist .
5. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Quantenstruktur zumindest ein Material aus der Gruppe der folgenden Materialsysteme aufweist: Gax In]__x Asy
Figure imgf000032_0001
Inx Al]__x Py Sb]__y, wobei x und y jeweils so gewählt sind, dass eine Gitterkonstante des Materials derjenigen von InP entspricht .
6. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Strahlungskonversionselement den aktiven Bereich des Halbleiterchips in Draufsicht auf das
Halbleiterbauelement zu höchstens 80 % überdeckt.
7. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Strahlungskonversionselement den aktiven Bereich des Halbleiterchips in Draufsicht auf das
Halbleiterbauelement zu mindestens 90 % überdeckt.
8. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Strahlungskonversionselement eine Dicke von höchstens 200 pm aufweist.
9. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Halbleiterchip einen Träger (29) aufweist und zwischen dem aktiven Bereich und dem Träger eine
Spiegelschicht (25) angeordnet ist.
10. Verfahren zum Herstellen einer Mehrzahl von Strahlungskonversionselementen (3) mit den Schritten:
a) Abscheiden einer Halbleiterschichtenfolge (300) mit einer Quantenstruktur (30) auf einem Substrat (35); und
b) Vereinzeln der Halbleiterschichtenfolge in die Mehrzahl von Strahlungskonversionselementen .
11. Verfahren nach Anspruch 10,
bei dem das Substrat zumindest teilweise von der
Quantenstruktur entfernt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
bei dem eine Opferschicht (37) entfernt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11,
bei dem Trennkeime (38) in das Substrat eingebracht werden und ein Teil des Substrats entlang der Trennkeime abgetrennt wird .
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
bei dem zumindest ein Teil des Substrats in einem weiteren Herstellungszyklus des Verfahrens für Schritt a)
wiederverwendet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
bei dem das Substrat vor Schritt b) gedünnt wird.
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