WO2022175159A1 - Strahlungsemittierendes halbleiterbauteil und verfahren zur herstellung eines strahlungsemittierenden halbleiterbauteils - Google Patents

Strahlungsemittierendes halbleiterbauteil und verfahren zur herstellung eines strahlungsemittierenden halbleiterbauteils Download PDF

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WO2022175159A1
WO2022175159A1 PCT/EP2022/053256 EP2022053256W WO2022175159A1 WO 2022175159 A1 WO2022175159 A1 WO 2022175159A1 EP 2022053256 W EP2022053256 W EP 2022053256W WO 2022175159 A1 WO2022175159 A1 WO 2022175159A1
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radiation
emitting semiconductor
semiconductor component
layer stack
emitter regions
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Peter Fuchs
Hubert Halbritter
Bruno JENTZSCH
Christian Lauer
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Ams-Osram International Gmbh
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    • H01S5/42—Arrays of surface emitting lasers

Definitions

  • a radiation-emitting semiconductor component and a method for producing a radiation-emitting semiconductor component are specified.
  • One problem to be solved is to specify a radiation-emitting semiconductor component that has improved emission characteristics.
  • a method for producing such a radiation-emitting semiconductor component is to be specified.
  • the radiation-emitting semiconductor component is designed, for example, to generate ultraviolet radiation, near-ultraviolet radiation, visible radiation, near-infrared radiation and/or infrared radiation during operation.
  • the radiation-emitting semiconductor component comprises at least two radiation-emitting semiconductor chips which are each designed to emit electromagnetic radiation via an emitter region.
  • each radiation-emitting semiconductor component comprises a semiconductor layer sequence.
  • the semiconductor layer sequence is based, for example, on a compound semiconductor material, in particular on a III-V compound semiconductor material, such as a nitride compound semiconductor material, a Phosphide compound semiconductor material or an arsenide compound semiconductor material.
  • the semiconductor layer sequences can have dopants and additional components.
  • the radiation-emitting semiconductor component has, for example, a main extension plane and each of the radiation-emitting semiconductor chips extends in a longitudinal direction, parallel to the
  • a lateral direction extends, for example, parallel to the main extension plane and runs transversely or perpendicularly to the longitudinal direction.
  • a vertical direction is, for example, transverse or perpendicular to the main plane of extent.
  • the longitudinal directions of the radiation-emitting semiconductor chips are arranged essentially parallel to one another. “Essentially” means here that the longitudinal directions can have an angle of at most 5°, in particular at most 1°, to one another due to production. Furthermore, the radiation-emitting semiconductor chips are arranged next to one another in the lateral direction, for example.
  • the longitudinal directions of the radiation-emitting semiconductor chips are arranged at an angle to one another, for example.
  • at least two of the radiation-emitting semiconductor chips intersect.
  • the radiation-emitting semiconductor chips are arranged in a common plane that extends parallel to the main extension plane.
  • the semiconductor layer sequences each include, for example, a first semiconductor layer of a first doping type and a second semiconductor layer of a second doping type that differs from the first doping type.
  • the first semiconductor layer is p-doped and the second semiconductor layer is n-doped.
  • the first semiconductor layer is n-doped and the second semiconductor layer is p-doped.
  • the first semiconductor layer and the second semiconductor layer are stacked on each other in the vertical direction, for example.
  • an active area is arranged between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer.
  • the active region has, for example, a pn junction for generating the electromagnetic radiation, such as a heterostructure, a single quantum well structure or a
  • each active region is designed to generate electromagnetic radiation, with the electromagnetic radiation generated each having the same peak wavelength.
  • the electromagnetic radiation generated can be coupled out, for example, via the emitter regions.
  • the radiation-emitting semiconductor component comprises a layer stack which is designed to be partially reflective for electromagnetic radiation.
  • the layer stack is designed to be electrically insulating, for example, and includes or consists of dielectric materials.
  • the stack of layers includes a multiplicity of layers.
  • the stack of layers is formed with alternately arranged layers of a high-index and a low-index material.
  • the layers of the layer stack include, for example, SiC>2, Al 2 O 3 , TiO 2 , Ta 2 Os, Nb 2 Os, NbF, Si 3 N 4 , Si 2 ON 2 , MgF 2 .
  • the layer stack has a reflection of at most 90%, 50%, 10%, 5% or 1% for the electromagnetic radiation generated in the active region.
  • the reflection is present at an interface of the semiconductor layer sequence in the area of the emitter regions and the layer stack.
  • the layer stack is arranged on the emitter regions.
  • the layer stack is in direct contact with the semiconductor layer sequence, in particular with the emitter regions.
  • the layer stack completely covers all emitter regions.
  • the layer stack has a thickness which is formed differently in places.
  • each layer of the stack of layers is formed differently in places.
  • the reflection of the electromagnetic radiation generated in the active region is dependent on the thickness of the layer stack and a wavelength range of the electromagnetic radiation.
  • the thickness of the layer stack is formed differently over different emitter regions. This means that electromagnetic radiation that is coupled out from different emitter regions is reflected differently by the layer stack.
  • the radiation-emitting semiconductor component comprises at least two radiation-emitting semiconductor chips, which are each designed to emit electromagnetic radiation via an emitter region, and a layer stack, which is designed to be partially reflective for electromagnetic radiation.
  • the layer stack is arranged on the emitter regions and the layer stack has a thickness that is different in places.
  • the thickness of the layer stack is formed differently over different emitter regions.
  • a reflection of the electromagnetic radiation generated in the active regions at the boundary surface of the semiconductor layer sequence and the layer stack can thus advantageously be specified in each case.
  • the electromagnetic radiation coupled out of the stack of layers via adjacent emitter regions can thus have peak wavelengths that differ from one another.
  • Image artefacts that are induced, for example, by the speckle effect can be reduced.
  • the peak wavelengths emitted by the semiconductor component are thus specified in particular by the layer stack in the semiconductor component.
  • no external elements such as gratings, in particular volume Bragg gratings, are required, which also have to be adjusted and assembled. This can advantageously simplify assembly, and the semiconductor component advantageously has increased robustness against vibrations.
  • such a radiation-emitting semiconductor component can be used in a LIDAR (“Light Detection and Ranging”) device.
  • a LIDAR device can be free of mechanically moving parts.
  • the radiation-emitting semiconductor chips have a common semiconductor layer sequence.
  • the common semiconductor layer sequence is the semiconductor layer sequence, in particular an epitaxially grown semiconductor layer sequence.
  • the radiation-emitting semiconductor chips are in particular connected to one another monolithically.
  • the radiation-emitting semiconductor component includes exactly one common semiconductor layer sequence.
  • the radiation-emitting semiconductor chips are formed from the common semiconductor layer sequence. For example, all emitter regions are part of the common semiconductor layer sequence. In this case it is at the radiation-emitting semiconductor component by a pixelated radiation-emitting semiconductor component.
  • the emitter regions are arranged in a common plane.
  • the common plane extends, for example, parallel to the main plane or perpendicular to the
  • the thickness of the layer stack is defined in the vertical direction. If the common plane of the emitter regions extends perpendicularly to the main plane of extension, the thickness of the layer stack is defined in the longitudinal direction.
  • the emitter regions are arranged along the lateral direction, for example.
  • the layer stack extends, for example, along the lateral direction.
  • a peak wavelength of an electromagnetic radiation coupled out of the layer stack is dependent on the thickness.
  • the radiation-emitting semiconductor component is designed to emit electromagnetic radiation having at least two peak wavelengths that differ from one another.
  • electromagnetic radiation that is coupled out from the stack of layers has peak wavelengths that differ from one another across different emitter regions.
  • the peak wavelengths differ, for example, by at least 1 nm and at most 20 nm.
  • the peak wavelengths that are coupled out via the layer stack differ via directly adjacent emitter regions, for example by at least 3 nm and at most 5 nm. Image artifacts are advantageously avoided in a particularly effective manner in this way .
  • the thickness of the layer stack has a first periodic profile along the emitter regions. Having a periodic profile means here and below that a profile of the thickness of the layer stack is repeated at specific intervals. In this case, each of the determined distances is a period.
  • the periodic curve can include exactly one period or more than one period, in particular a large number of periods. In other words, the thickness of the layer stack changes along the lateral direction, in particular periodically.
  • the thickness of the layer stack is formed differently in places along the emitter regions within a period of the first periodic curve.
  • the thickness of the layer stack decreases or the thickness of the layer stack increases along the lateral direction.
  • the thickness of the layer stack decreases or the thickness of the layer stack increases continuously.
  • the Thickness of the layer stack within a period, for example, a gradient.
  • the radiation-emitting semiconductor component comprises at least four radiation-emitting semiconductor chips. All of the radiation-emitting semiconductor chips are arranged next to one another in the lateral direction, for example.
  • a reflection of electromagnetic radiation at the layer stack has a second periodic profile, with one period of the second periodic profile extending over at least two directly adjacent emitter regions.
  • the radiation-emitting semiconductor component comprises, for example, at least four radiation-emitting semiconductor chips. If the period of the second periodic profile includes, for example, two directly adjacent emitter regions, the peak wavelength that is emitted via the layer stack is the same across every second emitter region.
  • a cross section through the layer stack has a sawtooth shape.
  • the first periodic profile includes a multiplicity of the periods.
  • the thickness within a period has a gradient, for example, which is the same for all periods.
  • the Layer stack up a multitude of layers.
  • each layer has a thickness that is different than any other thickness of the layers.
  • relative thickness ratios of the layers to one another are the same along the emitter regions. If, for example, the thickness of the layer stack decreases along the lateral direction within one period, then each of the layers also decreases relative to the reduction in the thickness of the layer stack. If, for example, the thickness of the layer stack increases along the lateral direction within one period, then each of the layers also increases relative to the increase in the thickness of the layer stack.
  • an absorber layer is arranged in the layer stack.
  • a plurality of absorber layers are arranged in the layer stack.
  • the absorber layer is arranged, for example, between two of the layers of the layer stack.
  • the absorber layer comprises or is formed from, for example, a semiconductor material such as Si.
  • the absorber layer is designed, for example, to at least partially absorb a wavelength range of the electromagnetic radiation generated in the active region. For example, only part of the wavelength range is absorbed.
  • an absorption of electromagnetic radiation by the absorber layer has a third periodic profile, where a period of the third periodic profile extends over at least two directly adjacent emitter regions.
  • the third periodic curve can be specified independently of the first periodic curve and/or the second periodic curve.
  • a refractive index of the absorber layer is, for example, greater than the refractive index of the layers of the layer stack.
  • each radiation-emitting semiconductor chip is a laser diode.
  • the electromagnetic radiation that is coupled out by the radiation-emitting semiconductor component, in particular that is coupled out by the layer stack is laser radiation.
  • the laser radiation has, for example, a comparatively large temporal coherence and a comparatively large spatial coherence.
  • the laser radiation is monochromatic and coherent laser light.
  • the radiation-emitting semiconductor chip is a laser diode or a superluminescent diode.
  • each radiation-emitting semiconductor chip is a superluminescent diode.
  • the electromagnetic radiation generated is amplified in the semiconductor layer sequence.
  • superluminescent electromagnetic radiation coupled out of the superluminescent diode increased brightness and/or increased luminous flux compared to non-amplified electromagnetic radiation.
  • superluminescent diodes do not have a resonator.
  • radiation is amplified, for example, with the electromagnetic radiation coupled out from the radiation-emitting semiconductor component, in particular the electromagnetic radiation coupled out from the layer stack, having a comparatively low temporal coherence and a comparatively large spatial coherence.
  • the emitter regions are arranged perpendicular to a main extension plane of the semiconductor component.
  • the radiation-emitting semiconductor chips are so-called edge-emitting semiconductor chips.
  • the electromagnetic radiation coupled out of the semiconductor component is coupled out in the longitudinal direction.
  • the emitter regions are arranged parallel to a main extension plane of the semiconductor component.
  • the radiation-emitting semiconductor chips are so-called surface-emitting semiconductor chips.
  • the electromagnetic radiation coupled out of the semiconductor component is coupled out in the vertical direction.
  • a method for producing a radiation-emitting semiconductor component is specified, with which a radiation-emitting semiconductor component described here can be produced. All of the features and embodiments disclosed in connection with the radiation-emitting semiconductor component are therefore also disclosed in connection with the method and vice versa.
  • At least two radiation-emitting semiconductor chips are provided, which are each designed to emit electromagnetic radiation via an emitter region.
  • at least two radiation-emitting semiconductor chips are produced from a semiconductor wafer.
  • a multiplicity of radiation-emitting semiconductor chips can be produced from the semiconductor wafer.
  • the radiation-emitting semiconductor chips produced are, for example, an ingot that includes the multiplicity of radiation-emitting semiconductor chips.
  • the semiconductor wafer comprises, for example, the semiconductor layer sequence, in particular the common semiconductor layer sequence.
  • a layer stack which is designed to be partially reflective for electromagnetic radiation, is applied to the emitter regions.
  • the layer stack has a thickness that is different in places.
  • the bar can subsequently be singulated to form the radiation-emitting semiconductor component, in particular a plurality of radiation-emitting semiconductor components.
  • the peak wavelength of the electromagnetic radiation that is coupled out of the layer stack via one of the radiation-emitting semiconductor chips differs from a peak wavelength of the electromagnetic radiation that is coupled out of the layer stack via a directly adjacent radiation-emitting semiconductor chip.
  • the peak wavelengths differ by at least 1 nm and at most 5 nm.
  • a coupling-out mirror here the layer stack
  • a radiation-emitting semiconductor component is particularly space-saving.
  • a particularly high packing density of the radiation-emitting semiconductor chips, in particular of the emitter regions is achieved.
  • the electromagnetic radiation emitted by the semiconductor component can thus be imaged onto a common area in a particularly simple manner.
  • the common area is, for example, a fiber end face or, in the case of direct irradiation, a powder bed in a 3D printing process.
  • semiconductor components can be used in display applications.
  • the layer stack is applied by a sputtering process using a distribution diaphragm.
  • the thickness of the layer stack can advantageously be specified particularly precisely along the lateral direction by means of the distribution diaphragm.
  • the thickness of a layer of the layer stack can be changed by at least 1% over two directly adjacent emitter regions.
  • the distribution diaphragm has a sawtooth shape in a top view.
  • the radiation-emitting semiconductor component and the method for producing the radiation-emitting semiconductor component are explained in more detail below with reference to the figures using exemplary embodiments.
  • FIG. 1 schematic sectional illustrations of a radiation-emitting semiconductor component according to an exemplary embodiment
  • FIG. 2 exemplary diagram of a reflection of the layer stack for different wavelengths and for different thicknesses of the layer stack
  • FIG. 3 exemplary diagram of a reflection and an absorption of the layer stack for different wavelengths
  • FIG. 4 shows a schematic sectional illustration of a layer thickness according to an exemplary embodiment
  • FIG. 5 and 6 schematic representations of a radiation-emitting semiconductor component according to an embodiment
  • FIG. 7 shows a schematic sectional illustration of a radiation-emitting semiconductor component in accordance with an exemplary embodiment
  • FIG. 8 shows a schematic representation of a method stage in the production of a radiation-emitting semiconductor component in accordance with an exemplary embodiment.
  • the radiation-emitting semiconductor component 1 according to the exemplary embodiment in FIG. 1 comprises ten radiation-emitting semiconductor chips 2 which are arranged next to one another in the lateral direction 6 . Furthermore, each radiation-emitting semiconductor chip 2 extends in a longitudinal direction 7 running perpendicular to the lateral direction 6.
  • Each radiation-emitting semiconductor chip 2 is designed to emit electromagnetic radiation via an emitter region 3 .
  • the emitter regions 3 are arranged in a common plane that extends perpendicularly to the longitudinal direction 7 .
  • the radiation-emitting semiconductor chips 2 are edge-emitting semiconductor chips 2.
  • the electromagnetic radiation to be coupled out of the radiation-emitting semiconductor component 1 is emitted in the longitudinal direction 7 .
  • the radiation-emitting semiconductor component 1 comprises a layer stack 4 which is designed to be partially reflective for electromagnetic radiation which emerges from the emitter regions 3 of the radiation-emitting semiconductor chips 2 .
  • the layer stack 4 has a thickness 5 which is different in places. The thickness 5 of the layer stack 4 increases, from right to left in FIG . Within this period 21, the thickness 5 of the layer stack 4 increases along the emitter regions 3 along the longitudinal direction 7.
  • the radiation-emitting semiconductor chips 2 include a common semiconductor layer sequence 9. This means that the radiation-emitting semiconductor chips 2 are formed from the same materials. Active regions 11 of the radiation-emitting semiconductor chips 2 are thus formed for electromagnetic radiation with the same
  • a reflection of the electromagnetic radiation generated in the active regions 11 depends on the thickness 5 of the layer stack 4.
  • the reflection of the electromagnetic radiation generated in the active regions 11 has a second periodic profile 23, with a period 21 of the second periodic curve 23 extends over at least three directly adjacent emitter regions 3.
  • the diagram in FIG. 2 includes a reflection R in % of a layer stack 4 for different wavelengths wL.
  • Curves CI, C2 and C3 are representative of different thicknesses 5 of the layer stack 4.
  • the layer stack 4 comprises a multiplicity of layers.
  • the layer stack 4 is formed with alternately arranged layers of a high-index and a low-index material.
  • the layers have, for example, a thickness of at least 5 nm and at most 500 nm, in particular at least 10 nm and at most 300 nm. In particular, all thicknesses are designed differently.
  • the layers have, for example, a refractive index of at least 1.5 and at most 2.5.
  • the layer stack 4 which corresponds to the curve CI, has a thickness 5 of approximately 1280 nm.
  • Such a layer stack 4 has, for example, a reflection of approximately 13% for electromagnetic radiation with a peak wavelength of 450 nm.
  • the layer stack 4, which corresponds to the curve C2 has a thickness 5 of 1232 nm.
  • the thickness 5 of the layer stack 4 corresponding to curve C2 is approximately 4% smaller than the thickness 5 of the layer stack 4 corresponding to curve CI.
  • the thicknesses of the layers corresponding to curve C2 are each 4% smaller than the thicknesses of the layers corresponding to curve CI.
  • the layer stack 4, which corresponds to the curve C3, has a thickness 5 of 1184 nm.
  • the thickness 5 of the layer stack 4 corresponding to curve C3 is approximately 4% smaller than the thickness 5 of the layer stack 4 corresponding to curve C2.
  • the thicknesses of the layers corresponding to curve CI are each 4% smaller than the thicknesses of the layers corresponding to curve C2.
  • the diagram in FIG. 3 includes a reflection R in %, identified by the solid curve, and an absorption in %, identified by the dashed curve, of a layer stack 4 for different wavelengths wL.
  • the solid curve corresponds approximately to layer stack 4, which corresponds to curve CI.
  • the layer stack 4 also has an absorber layer.
  • the absorber layer includes Si.
  • an emitter area emits electromagnetic radiation with a peak wavelength of 504 nm
  • about 5% of the electromagnetic radiation is reflected.
  • about 1.1% of this electromagnetic radiation with a peak wavelength of 504 nm is absorbed.
  • a predetermined wavelength range can thus advantageously be absorbed.
  • the absorption also has a third periodic profile, the third periodic profile of the absorption being shifted in relation to the reflection curve in such a way that peaks in the reflection curve and troughs in the absorption curve approximately coincide.
  • FIG. 4 there is a progression of the thickness 5 of the layer stack 4 over the radiation-emitting Semiconductor chips 2, in particular over the emitter regions 3, shown.
  • the solid line corresponds to a thickness 5 of the layer stack 4, the layer stack 4 being applied without a distribution screen 14.
  • the dashed line corresponds to a thickness 5 of the layer stack 4, the layer stack 4 having a distribution diaphragm 14 being applied.
  • the radiation-emitting semiconductor chips 2 of the radiation-emitting semiconductor component 1 have a semiconductor layer sequence 9 with a first semiconductor layer 10 and a second semiconductor layer 12, between which an active region 11 is arranged.
  • the semiconductor layer sequence 9 is arranged on a carrier 15 .
  • the radiation-emitting semiconductor chips 2 are each a surface emitter.
  • a first reflective surface 19 is arranged in a first edge region of each radiation-emitting semiconductor chip 2, with an angle between the first reflective surface 19 and a main extension plane of the radiation-emitting semiconductor component 1 being approximately 45°. Furthermore, a highly reflective coating 18 is arranged on a top surface of the semiconductor layer sequence 9 in the first edge region.
  • a second reflective surface 20 is arranged in a second edge region of each radiation-emitting semiconductor chip 2, with an angle between the second reflective surface 20 and the main plane of extension being approximately 45°. Furthermore, a layer stack 4 is arranged on the top surface of the semiconductor layer sequence 9 in the second edge region.
  • the semiconductor layer sequence 9 is a common semiconductor layer sequence 9.
  • a first contact layer 16 is arranged between the layer stack 4 and the highly reflective coating 18 on the top surface of the semiconductor layer sequence 9 along the longitudinal direction 7.
  • a plurality of second contact layers 17 are arranged along the longitudinal direction 7 on an opposite bottom surface of the semiconductor layer sequence 9 , each of which extends in the longitudinal direction 7 and is spaced apart from one another in the lateral direction 6 .
  • a dimension of an active region 11 in the lateral direction 6 is predetermined by the first contact layer 16 and one of the second contact layers 17 in each case.
  • the electromagnetic radiation generated in the active region 11 in each case forms a beam with a beam profile which has a lateral and a vertical extent in cross section perpendicular to the longitudinal direction 7 .
  • Electromagnetic radiation propagating in the direction of the first reflecting surface 19 is directed towards the second reflecting surface 20 by means of the highly reflective coating 18 and repeated reflection at the first reflecting surface 19 .
  • Emitted electromagnetic radiation, which propagates in the direction of the second reflecting surface 20 is superimposed on the radiation reflected on the first reflecting surface 19 .
  • the electromagnetic radiation of the active region 11 superimposed in this way is superimposed in the region of the emitter region 3 and is coupled out, for example.
  • the emitted radiation is thus intensified and has increased brightness and luminous flux.
  • the radiation-emitting semiconductor chips 2 are thus, for example, superluminescent diodes.
  • the reflection of the layer stack 4 can be adapted in such a way that the component is designed to emit laser radiation.
  • the radiation-emitting semiconductor chips 2 are laser diodes, for example.
  • Each active region 11 according to FIG. 6 is designed to generate electromagnetic radiation, which in each case has the same peak wavelength. Furthermore, the layer stack 4 has a gradient in the thickness 5 over the emitter regions 3 .
  • the radiation-emitting semiconductor component 1 comprises four radiation-emitting semiconductor chips 2.
  • the electromagnetic radiation emitted by the emitter regions 3 enters the layer stack 4, where it is reflected differently.
  • a peak wavelength of the electromagnetic radiation, which is emitted by the layer stack 4, can thus be formed differently across the emitter regions 3.
  • a number of peak wavelengths can thus be emitted by the radiation-emitting semiconductor component 1 .
  • the radiation-emitting semiconductor component 1 according to the exemplary embodiment in FIG. 7 comprises 30 radiation-emitting semiconductor chips 2 which are arranged next to one another in the lateral direction 6 .
  • a cross section through the layer stack 4 has a sawtooth shape.
  • a period comprises 21 of the first periodic profile 22 has ten radiation-emitting semiconductor chips 2.
  • the first periodic profile 22 includes three periods 21.
  • the period 21 of the second periodic profile 23 corresponds to FIG.
  • radiation-emitting semiconductor chips 2 are first provided, which are arranged next to one another in the lateral direction 6. This arrangement of radiation-emitting semiconductor chips 2 is subsequently inserted into a receptacle 13 .
  • the receptacle 13 is designed to move in a circle around a center point.
  • a layer stack 4 is subsequently applied to the radiation-emitting semiconductor chips 2 by a sputtering process using a distribution diaphragm 14 .
  • the distribution diaphragm 14 is formed in such a way that the layer stack 4 has a thickness 5 after application, which is formed differently in places over the emitter regions 3 .
  • the distribution orifice 14 has a sawtooth shape.

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Abstract

Es wird ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauteil (1) angegeben, mit - zumindest zwei strahlungsemittierenden Halbleiterchips (2), die jeweils dazu ausgebildet sind elektromagnetische Strahlung über einen Emitterbereich (3) zu emittieren, und - einem Schichtenstapel (4), der teilweise reflektierend für elektromagnetische Strahlung ausgebildet ist, wobei - der Schichtenstapel (4) auf den Emitterbereichen (3) angeordnet ist, und - der Schichtenstapel (4) eine Dicke (5) aufweist, die stellenweise unterschiedlich ausgebildet ist. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterbauteils (1) angegeben.

Description

Beschreibung
STRAHLUNGSEMITTIERENDES HALBLEITERBAUTEIL UND VERFAHREN ZUR
HERSTELLUNG EINES STRAHLUNGSEMITTIERENDEN HALBLEITERBAUTEILS
Es werden ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauteil und ein Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterbauteils angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauteil anzugeben, das eine verbesserte Abstrahlcharakteristik aufweist. Außerdem soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen strahlungsemittierenden Halbleiterbauteils angegeben werden.
Das strahlungsemittierende Halbleiterbauteil ist beispielsweise dazu ausgebildet, im Betrieb ultraviolette Strahlung, nahultraviolette Strahlung, sichtbare Strahlung, nahinfrarote Strahlung und/oder infrarote Strahlung zu erzeugen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das strahlungsemittierende Halbleiterbauteil zumindest zwei strahlungsemittierende Halbleiterchips, die jeweils dazu ausgebildet sind elektromagnetische Strahlung über einen Emitterbereich zu emittieren.
Beispielsweise umfasst jedes strahlungsemittierende Halbleiterbauteil eine Halbleiterschichtenfolge. Die Halbleiterschichtenfolge basiert beispielsweise auf einem Verbindungshalbleitermaterial, insbesondere auf einem III-V- Verbindungshalbleitermaterial , wie einem Nitridverbindungshalbleitermaterial , einem Phosphidverbindungshalbleitermaterial oder einem Arsenidverbindungshalbleitermaterial . Die Halbleiterschichtenfolgen können Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen.
Das strahlungsemittierende Halbleiterbauteil weist beispielsweise eine Haupterstreckungsebene auf und jeder der strahlungsemittierenden Halbleiterchips erstreckt sich in einer longitudinalen Richtung, parallel zur
Haupterstreckungsebene. Eine laterale Richtung erstreckt sich beispielsweise parallel zur Haupterstreckungsebene und verläuft quer oder senkrecht zu der longitudinalen Richtung. Eine vertikale Richtung steht beispielsweise quer oder senkrecht auf der Haupterstreckungsebene.
Beispielsweise sind die longitudinalen Richtungen der strahlungsemittierenden Halbleiterchips im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. „Im Wesentlichen" bedeutet hier, dass die longitudinalen Richtungen herstellungsbedingt einen Winkel von höchstens 5°, insbesondere höchstens 1°, zueinander aufweisen können. Weiterhin sind die strahlungsemittierenden Halbleiterchips zum Beispiel in lateraler Richtung nebeneinander angeordnet.
Alternativ, sind die longitudinalen Richtungen der strahlungsemittierenden Halbleiterchips beispielsweise schräg zueinander angeordnet. In diesem Fall ist es möglich, dass sich die strahlungsemittierenden Halbleiterchips teilweise überlappen. Beispielsweise kreuzen sich zumindest zwei der strahlungsemittierenden Halbleiterchips. Zum Beispiel sind die strahlungsemittierenden Halbleiterchips in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, die sich parallel zur Haupterstreckungsebene erstreckt.
Die Halbleiterschichtenfolgen umfassen beispielsweise jeweils eine erste Halbleiterschicht eines ersten Dotiertyps und eine zweite Halbleiterschicht eines zweiten, vom ersten Dotiertyp verschiedenen Dotiertyps. Zum Beispiel ist die erste Halbleiterschicht p-dotiert und die zweite Halbleiterschicht n-dotiert ausgebildet. Alternativ ist die erste Halbleiterschicht n-dotiert und die zweite Halbleiterschicht p-dotiert ausgebildet. Die erste Halbleiterschicht und die zweite Halbleiterschicht sind beispielsweise in vertikaler Richtung übereinander gestapelt.
Beispielsweise ist ein aktiver Bereich zwischen der ersten Halbleiterschicht und der zweiten Halbleiterschicht angeordnet. Der aktive Bereich weist zum Beispiel einen pn- Übergang zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung auf, wie beispielsweise eine Heterostruktur, eine EinfachquantentopfStruktur oder eine
MehrfachquantentopfStruktur . Insbesondere ist jeder aktive Bereich zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung ausgebildet, wobei die erzeugten elektromagnetischen Strahlungen jeweils eine gleiche Peakwellenlänge aufweisen.
Die erzeugte elektromagnetische Strahlung ist beispielsweise über die Emitterbereiche auskoppelbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das strahlungsemittierende Halbleiterbauteil einen Schichtenstapel, der teilweise reflektierend für elektromagnetische Strahlung ausgebildet ist. Der Schichtenstapel ist beispielsweise elektrisch isolierend ausgebildet und umfasst dielektrische Materialien oder besteht daraus. Beispielsweise umfasst der Schichtenstapel eine Vielzahl von Schichten. In diesem Fall ist der Schichtenstapel mit abwechselnd angeordneten Schichten eines hochbrechenden und eines niedrigbrechenden Materials gebildet. Die Schichten des Schichtenstapels umfassen beispielsweise SiC>2, A1203, Ti02, Ta2Os, Nb2Os, NbF, Si3N4, Si2ON2, MgF2.
Der Schichtenstapel weist beispielsweise für die im aktiven Bereich erzeugte elektromagnetische Strahlung eine Reflexion von höchstens 90 %, 50 %, 10 %, 5 % oder 1 % auf. Insbesondere liegt die Reflexion an einer Grenzfläche der Halbleiterschichtenfolge im Bereich der Emitterbereiche und des Schichtenstapels vor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterbauteils ist der Schichtenstapel auf den Emitterbereichen angeordnet. Beispielsweise steht der Schichtenstapel in direktem Kontakt mit der Halbleiterschichtenfolge, insbesondere mit den Emitterbereichen. Beispielsweise bedeckt der Schichtenstapel alle Emitterbereiche vollständig.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterbauteils weist der Schichtenstapel eine Dicke auf, die stellenweise unterschiedlich ausgebildet ist. Insbesondere ist jede Schicht des Schichtenstapels stellenweise unterschiedlich ausgebildet . Beispielsweise ist die Reflexion der im aktiven Bereich erzeugten elektromagnetischen Strahlung abhängig von der Dicke des Schichtenstapels und einem Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung. Beispielsweise ist die Dicke des Schichtenstapels über verschiedenen Emitterbereichen unterschiedlich ausgebildet. Das heißt, elektromagnetische Strahlungen, die von verschiedenen Emitterbereichen ausgekoppelt werden, werden von dem Schichtenstapel unterschiedlich reflektiert.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst das strahlungsemittierende Halbleiterbauteil zumindest zwei strahlungsemittierende Halbleiterchips, die jeweils dazu ausgebildet sind elektromagnetische Strahlung über einen Emitterbereich zu emittieren, und ein Schichtenstapel, der teilweise reflektierend für elektromagnetische Strahlung ausgebildet ist. Der Schichtenstapel ist auf den Emitterbereichen angeordnet und der Schichtenstapel weist eine Dicke auf, die stellenweise unterschiedlich ausgebildet ist.
Eine Idee des hier beschriebenen strahlungsemittierenden Halbleiterbauteils ist unter anderem, dass die Dicke des Schichtenstapels über verschiedenen Emitterbereichen unterschiedlich ausgebildet ist. Vorteilhafterweise kann damit jeweils eine Reflexion der in den aktiven Bereichen erzeugten elektromagnetischen Strahlung an der Grenzfläche der Halbleiterschichtenfolge und des Schichtenstapels vorgegeben werden. Die über benachbarten Emitterbereiche von dem Schichtenstapel ausgekoppelten elektromagnetischen Strahlungen können damit voneinander verschiedene Peakwellenlängen aufweisen. Vorteilhafterweise können so Bild-Artefakte, die beispielsweise durch den Speckle-Effekt induziert werden, reduziert werden.
Die von dem Halbleiterbauteil emittierten Peakwellenlängen sind damit insbesondere durch den Schichtenstapel im Halbleiterbauteil vorgegeben. Vorteilhafterweise sind so keine externen Elemente, wie z.B. Gitter, insbesondere Volumen-Bragg-Gitter, benötigt, die ebenfalls justiert und montiert werden müssen. Damit kann mit Vorteil eine Montage vereinfacht sein, und das Halbleiterbauteil weist mit Vorteil eine erhöhte Robustheit gegen Vibrationen auf.
Weiterhin kann ein derartiges strahlungsemittierendes Halbleiterbauteil in einer LIDAR(„Light Detection and Ranging")-Vorrichtung eingesetzt werden. Vorteilhafterweise kann eine derartige LIDAR-Vorrichtung frei von mechanisch beweglichen Teilen sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterbauteils weisen die strahlungsemittierenden Halbleiterchips eine gemeinsame Halbleiterschichtenfolge auf. Bei der gemeinsamen Halbleiterschichtenfolge handelt es sich um die Halbleiterschichtenfolge, insbesondere einer epitaktisch gewachsenen Halbleiterschichtenfolge. Die strahlungsemittierenden Halbleiterchips sind insbesondere monolithisch miteinander verbunden. Beispielsweise umfasst das strahlungsemittierende Halbleiterbauteil genau eine gemeinsame Halbleiterschichtenfolge. Die strahlungsemittierenden Halbleiterchips sind aus der gemeinsamen Halbleiterschichtenfolge gebildet. Beispielsweise sind alle Emitterbereiche Teil der gemeinsamen Halbleiterschichtenfolge. In diesem Fall handelt es sich bei dem strahlungsemittierenden Halbleiterbauteil um ein pixeliertes strahlungsemittierendes Halbleiterbauteil.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterbauteils sind die Emitterbereiche in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Die gemeinsame Ebene erstreckt sich beispielsweise parallel zur Haupterstreckungsebene oder senkrecht zur
Haupterstreckungsebene. Erstreckt sich die gemeinsame Ebene der Emitterbereiche parallel zur Haupterstreckungsebene ist die Dicke des Schichtenstapels in vertikaler Richtung definiert. Erstreckt sich die gemeinsame Ebene der Emitterbereiche senkrecht zur Haupterstreckungsebene ist die Dicke des Schichtenstapels in longitudinaler Richtung definiert.
Die Emitterbereiche sind beispielsweise entlang der lateralen Richtung angeordnet. Der Schichtenstapel erstreckt sich beispielsweise entlang der lateralen Richtung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterbauteils ist eine Peakwellenlänge einer aus dem Schichtenstapel ausgekoppelten elektromagnetischen Strahlung abhängig von der Dicke.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das strahlungsemittierende Halbleiterbauteil dazu ausgebildet, elektromagnetische Strahlung mit zumindest zwei voneinander verschiedenen Peakwellenlängen auszusenden. Beispielsweise weist elektromagnetische Strahlung, die von dem Schichtenstapel ausgekoppelt wird, über verschiedenen Emitterbereichen voneinander verschiedene Peakwellenlängen auf. Die Peakwellenlängen unterscheiden sich beispielsweise um mindestens 1 nm und höchstens 20 nm. Beispielsweise unterscheiden sich die Peakwellenlängen, die über den Schichtenstapel ausgekoppelt werden, über direkt benachbarten Emitterbereichen, beispielsweise um mindestens 3 nm und höchstens um 5 nm. Vorteilhafterweise werden so Bildartefakte besonders effektiv vermieden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterbauteils weist die Dicke des Schichtenstapels entlang der Emitterbereiche einen ersten periodischen Verlauf auf. Ein periodischer Verlauf aufweisend bedeutet hier und im Folgenden, dass sich ein Verlauf der Dicke des Schichtenstapels in bestimmten Abständen wiederholt. Bei jedem der bestimmten Abstände handelt es sich in diesem Fall um eine Periode. Der periodische Verlauf kann genau eine Periode oder mehr als eine Periode, insbesondere eine Vielzahl an Perioden, umfassen. Mit anderen Worten ändert sich die Dicke des Schichtenstapels entlang der lateralen Richtung, insbesondere periodisch.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterbauteils ist die Dicke des Schichtenstapels entlang der Emitterbereiche innerhalb einer Periode des ersten periodischen Verlaufs stellenweise unterschiedlich ausgebildet.
Umfasst der erste periodische Verlauf nur eine Periode, verkleinert sich die Dicke des Schichtenstapels oder vergrößert sich die Dicke des Schichtenstapels entlang der lateralen Richtung. Insbesondere verkleinert sich die Dicke des Schichtenstapels oder vergrößert sich die Dicke des Schichtenstapels kontinuierlich. Mit anderen Worten weist die Dicke des Schichtenstapels innerhalb einer Periode zum Beispiel einen Gradienten auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das strahlungsemittierende Halbleiterbauteil zumindest vier strahlungsemittierende Halbleiterchips. Alle strahlungsemittierenden Halbleiterchips sind beispielsweise in lateraler Richtung nebeneinander angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterbauteils weist eine Reflexion von elektromagnetischer Strahlung an dem Schichtenstapel einen zweiten periodischen Verlauf auf, wobei sich eine Periode des zweiten periodischen Verlaufs über zumindest zwei direkt benachbarte Emitterbereiche erstreckt.
In dieser Ausführungsform umfasst das strahlungsemittierende Halbleiterbauteil beispielsweise zumindest vier strahlungsemittierende Halbleiterchips. Umfasst die Periode des zweiten periodischen Verlaufs beispielsweise zwei direkt benachbarte Emitterbereiche, ist die Peakwellenlänge, die über den Schichtenstapel ausgesendet wird, über jedem zweiten Emitterbereich gleich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterbauteils weist ein Querschnitt durch den Schichtenstapel eine Sägezahnform auf. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der erste periodische Verlauf eine Vielzahl der Perioden. Die Dicke innerhalb einer Periode weist beispielsweise einen Gradienten auf, der für alle Perioden gleich ausgebildet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterbauteils weist der Schichtenstapel eine Vielzahl von Schichten auf. Jede Schicht weist beispielsweise eine Dicke auf, die unterschiedlich zu jeder anderen Dicke der Schichten ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterbauteils sind relative Dickenverhältnisse der Schichten zueinander entlang der Emitterbereiche gleich. Verkleinert sich beispielsweise die Dicke des Schichtenstapels entlang der lateralen Richtung innerhalb einer Periode, so verkleinert sich auch jede der Schichten relativ zu der Verkleinerung der Dicke des Schichtenstapels. Vergrößert sich beispielsweise die Dicke des Schichtenstapels entlang der lateralen Richtung innerhalb einer Periode, so vergrößert sich auch jede der Schichten relativ zu der Vergrößerung der Dicke des Schichtenstapels.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterbauteils ist eine Absorberschicht in dem Schichtenstapel angeordnet. Beispielsweise sind mehrere Absorberschichten in dem Schichtenstapel angeordnet. Die Absorberschicht ist beispielsweise zwischen zwei der Schichten des Schichtenstapels angeordnet. Die Absorberschicht umfasst beispielsweise ein Halbleitermaterial oder ist daraus gebildet, wie z.B. Si.
Die Absorberschicht ist beispielsweise dazu ausgebildet einen Wellenlängenbereich der im aktiven Bereich erzeugten elektromagnetischen Strahlung zumindest teilweise zu absorbieren. Beispielsweise wird nur ein Teil des Wellenlängenbereichs absorbiert. Beispielsweise weist eine Absorption von elektromagnetischer Strahlung von der Absorberschicht einen dritten periodischen Verlauf auf, wobei sich eine Periode des dritten periodischen Verlaufs über zumindest zwei direkt benachbarte Emitterbereiche erstreckt. Insbesondere kann der dritte periodische Verlauf unabhängig von dem ersten periodischen Verlauf und/oder dem zweiten periodischen Verlauf vorgegeben sein. Weiterhin ist ein Brechungsindex der Absorberschicht beispielsweise größer als der Brechungsindex der Schichten des Schichtenstapels.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterbauteils ist jeder strahlungsemittierende Halbleiterchip eine Laserdiode. In diesem Fall ist die elektromagnetische Strahlung, die von dem strahlungsemittierenden Halbleiterbauteil ausgekoppelt wird, insbesondere die von dem Schichtenstapel ausgekoppelt wird, Laserstrahlung. Die Laserstrahlung weist beispielsweise eine vergleichsweise große zeitliche Kohärenz und eine vergleichsweise große räumliche Kohärenz auf. Insbesondere handelt es sich bei der Laserstrahlung um monochromatisches und kohärentes Laserlicht.
In Abhängigkeit der Reflexion der elektromagnetischen Strahlung, die an dem Schichtenstapel zurück in die Halbleiterschichtenfolge reflektiert wird, handelt es sich bei dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip um eine Laserdiode oder eine superlumineszente Diode.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterbauteils ist jeder strahlungsemittierende Halbleiterchip eine superlumineszente Diode. Beispielsweise wird die erzeugte elektromagnetische Strahlung in der Halbleiterschichtenfolge verstärkt. Vorteilhafterweise weist aus der superlumineszenten Diode ausgekoppelte superlumineszente elektromagnetische Strahlung im Vergleich zu nicht verstärkter elektromagnetischen Strahlung eine erhöhte Helligkeit und/oder einen erhöhten Lichtstrom auf.
Im Unterschied zu einer Laserdiode weisen superlumineszente Dioden keinen Resonator auf. In Verbindung mit der superlumineszenten Diode wird Strahlung beispielsweise verstärkt, wobei die von dem strahlungsemittierenden Halbleiterbauteil ausgekoppelte elektromagnetische Strahlung, insbesondere die von dem Schichtenstapel ausgekoppelte elektromagnetische Strahlung, eine vergleichsweise geringe zeitliche Kohärenz und eine vergleichsweise große räumlich Kohärenz aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterbauteils sind die Emitterbereiche senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Halbleiterbauteils angeordnet. Beispielsweise handelt es sich in dieser Ausführungsform bei den strahlungsemittierenden Halbleiterchips um sogenannte kantenemittierende Halbleiterchips. In diesem Fall wird die aus dem Halbleiterbauteil ausgekoppelte elektromagnetische Strahlung in longitudinaler Richtung ausgekoppelt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterbauteils sind die Emitterbereichen parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Halbleiterbauteils angeordnet. Beispielsweise handelt es sich in dieser Ausführungsform bei den strahlungsemittierenden Halbleiterchips um sogenannte oberflächenemittierende Halbleiterchips. In diesem Fall wird die aus dem Halbleiterbauteil ausgekoppelte elektromagnetische Strahlung in vertikaler Richtung ausgekoppelt. Es wird darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterbauteils angegeben, mit dem ein hier beschriebenes strahlungsemittierendes Halbleiterbauteil hergestellt werden kann. Sämtliche in Verbindung mit dem strahlungsemittierenden Halbleiterbauteil offenbarten Merkmale und Ausführungsformen sind daher auch in Verbindung mit dem Verfahren offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden zumindest zwei strahlungsemittierende Halbleiterchips bereitgestellt, die jeweils dazu ausgebildet sind, elektromagnetische Strahlung über einen Emitterbereich zu emittieren. Beispielsweise werden zumindest zwei strahlungsemittierende Halbleiterchips aus einem Halbleiterwafer erzeugt. Weiterhin können eine Vielzahl von strahlungsemittierenden Halbleiterchips aus dem Halbleiterwafer erzeugt werden. Bei den erzeugten strahlungsemittierenden Halbleiterchips handelt es sich beispielsweise um einen Barren, der die Vielzahl von strahlungsemittierenden Halbleiterchips umfasst.
Der Halbleiterwafer umfasst beispielsweise die Halbleiterschichtenfolge, insbesondere die gemeinsame Halbleiterschichtenfolge .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird ein Schichtenstapel, der teilweise reflektierend für elektromagnetische Strahlung ausgebildet ist, auf den Emitterbereichen aufgebracht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens weist der Schichtenstapel eine Dicke auf, die stellenweise unterschiedlich ausgebildet ist. Der Barren kann nachfolgend zu dem strahlungsemittierenden Halbleiterbauteil, insbesondere mehreren strahlungsemittierenden Halbleiterbauteile, vereinzelt werden. Vorteilhafterweise ist die Peakwellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, die über einem der strahlungsemittierenden Halbleiterchips aus dem Schichtenstapel ausgekoppelt wird gegenüber einer Peakwellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, die über einem direkt benachbarten strahlungsemittierenden Halbleiterchip aus dem Schichtenstapel ausgekoppelt wird, verschieden. Die Peakwellenlängen unterscheiden sich beispielsweise um mindestens 1 nm und höchstens 5 nm.
Mit einem derartigen Verfahren kann ein Auskoppel-Spiegel, hier der Schichtenstapel, besonders einfach mittels eines einzigen Verfahrensschritts erzeugt werden. Ein derartiges Verfahren ist damit besonders zeit- und kostensparend. Weiterhin ist ein derartiges strahlungsemittierendes Halbleiterbauteil besonders platzsparend. Beispielsweise wird eine besonders hohe Packungsdichte der strahlungsemittierenden Halbleiterchips, insbesondere der Emitterbereiche, erreicht. Damit kann die von dem Halbleiterbauteil emittierte elektromagnetische Strahlung besonders einfach auf einen gemeinsamen Bereich abgebildet werden. Bei dem gemeinsamen Bereich handelt es sich beispielswiese um eine Faser-Endfläche oder, bei direkter Einstrahlung, um ein Pulverbett bei einem 3D-Druckverfahren. Insbesondere können derartige Halbleiterbauteile in Displayanwendungen verwendet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Schichtenstapel durch einen Sputterprozess mittels einer Verteilungsblende aufgebracht. Die Dicke des Schichtenstapels ist mit Vorteil entlang der lateralen Richtung mittels der Verteilungsblende besonders genau vorgebbar. Beispielsweise kann die Dicke einer Schicht des Schichtenstapels über zwei direkt benachbarten Emitterbereichen um wenigstens 1 % verändert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens weist die Verteilungsblende in Draufsicht eine Sägezahnform auf.
Nachfolgend werden das strahlungsemittierende Halbleiterbauteil und das Verfahren zur Herstellung des strahlungsemittierenden Halbleiterbauteils unter Bezugnahme auf die Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert .
Figur 1 schematische Schnittdarstellungen eines strahlungsemittierenden Halbleiterbauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Figur 2 exemplarisches Diagramm einer Reflexion des Schichtenstapels für verschiedene Wellenlängen und für verschiedene Dicken des Schichtenstapels,
Figur 3 exemplarisches Diagramm einer Reflexion und einer Absorption des Schichtenstapels für verschiedene Wellenlängen,
Figur 4 eine schematische Schnittdarstellung einer Schichtdicke gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Figuren 5 und 6 schematische Darstellungen eines strahlungsemittierenden Halbleiterbauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel, Figur 7 eine schematische Schnittdarstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterbauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
Figur 8 eine schematische Darstellung eines Verfahrensstadiums bei der Herstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterbauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel .
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
Das strahlungsemittierende Halbleiterbauteil 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 umfasst zehn strahlungsemittierende Halbleiterchips 2, die in lateraler Richtung 6 nebeneinander angeordnet sind. Weiterhin erstreckt sich jeder strahlungsemittierende Halbleiterchip 2 in eine zur lateralen Richtung 6 senkrecht verlaufenden longitudinalen Richtung 7.
Jeder strahlungsemittierende Halbleiterchip 2 ist dazu ausgebildet, elektromagnetische Strahlung über einen Emitterbereich 3 zu emittieren. Die Emitterbereiche 3 sind in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, die sich senkrecht zu der longitudinalen Richtung 7 erstreckt. In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den strahlungsemittierenden Halbleiterchips 2 um kantenemittierende Halbleiterchips 2. In diesem Fall wird die aus dem strahlungsemittierenden Halbleiterbauteil 1 auszukoppelnde elektromagnetische Strahlung in longitudinaler Richtung 7 ausgesendet.
Weiterhin umfasst das strahlungsemittierende Halbleiterbauteil 1 einen Schichtenstapel 4, der teilweise reflektierend für elektromagnetische Strahlung ausgebildet ist, die aus den Emitterbereichen 3 der strahlungsemittierenden Halbleiterchips 2 austritt. Der Schichtenstapel 4 weist eine Dicke 5 auf, die stellenweise unterschiedlich ausgebildet ist. Die Dicke 5 des Schichtenstapels 4 vergrößert sich, in der Figur 1 von rechts nach links, entlang der Emitterbereiche 3 entlang der longitudinalen Richtung 7. Die Dicke 5 des Schichtenstapels 4 weist entlang der Emitterbereiche 3 einen ersten periodischen Verlauf 22 mit einer einzelnen Periode 21 auf. Innerhalb dieser Periode 21 vergrößert sich die Dicke 5 des Schichtenstapels 4 entlang der Emitterbereiche 3 entlang der longitudinalen Richtung 7.
Die strahlungsemittierenden Halbleiterchips 2 umfassen eine gemeinsame Halbleiterschichtenfolge 9. Das heißt, die strahlungsemittierenden Halbleiterchips 2 sind aus denselben Materialien gebildet. Damit sind aktive Bereiche 11 der strahlungsemittierenden Halbleiterchips 2 dazu ausgebildet elektromagnetische Strahlung mit demselben
Wellenlängenbereich zu erzeugen. Eine Reflexion der in den aktiven Bereichen 11 erzeugten elektromagnetischen Strahlung ist abhängig von der Dicke 5 des Schichtenstapels 4.
Die Reflexion der in den aktiven Bereichen 11 erzeugten elektromagnetischen Strahlung weist einen zweiten periodischen Verlauf 23 auf, wobei sich eine Periode 21 des zweiten periodischen Verlaufs 23 über zumindest drei direkt benachbarte Emitterbereiche 3 erstreckt.
Das Diagramm der Figur 2 umfasst eine Reflexion R in % eines Schichtenstapels 4 für verschiedene Wellenlängen wL. Kurven CI, C2 und C3 sind repräsentativ für verschiedene Dicken 5 des Schichtenstapels 4.
Der Schichtenstapel 4 umfasst eine Vielzahl von Schichten.
Der Schichtenstapel 4 ist mit abwechselnd angeordneten Schichten eines hochbrechenden und eines niedrigbrechenden Materials gebildet. Die Schichten weisen beispielsweise eine Dicke von mindestens 5 nm und höchstens 500 nm, insbesondere mindestens 10 nm und höchstens 300 nm, auf. Insbesondere sind alle Dicken unterschiedlich ausgebildet. Weiterhin weisen die Schichten beispielsweise einen Brechungsindex von mindestens 1,5 und höchstens 2,5 auf.
Der Schichtenstapel 4, der zu der Kurve CI korrespondiert, weist eine Dicke 5 von etwa 1280 nm auf. Ein derartiger Schichtenstapel 4 weist beispielsweise eine Reflexion von etwa 13 % für elektromagnetische Strahlung mit einer Peakwellenlänge von 450 nm auf.
Der Schichtenstapel 4, der zu der Kurve C2 korrespondiert, weist eine Dicke 5 von 1232 nm auf. Damit ist die Dicke 5 des Schichtenstapels 4 korrespondierend zur Kurve C2 um ca. 4% kleiner als die Dicke 5 des Schichtenstapels 4 korrespondierend zur Kurve CI. Die Dicken der Schichten korrespondierend zur Kurve C2 sind entsprechend um jeweils 4 % kleiner ausgeführt als die Dicken der Schichten korrespondierend zur Kurve CI. Der Schichtenstapel 4, der zu der Kurve C3 korrespondiert, weist eine Dicke 5 von 1184 nm auf. Damit ist die Dicke 5 des Schichtenstapels 4 korrespondierend zur Kurve C3 um ca. 4% kleiner als die Dicke 5 des Schichtenstapels 4 korrespondierend zur Kurve C2. Die Dicken der Schichten korrespondierend zur Kurve CI sind entsprechend um jeweils 4 % kleiner ausgeführt als die Dicken der Schichten korrespondierend zur Kurve C2.
Das Diagramm der Figur 3 umfasst eine Reflexion R in %, gekennzeichnet mit der durchgezogenen Kurve, und eine Absorption in %, gekennzeichnet mit der gestrichelten Kurve, eines Schichtenstapels 4 für verschiedene Wellenlängen wL.
Die durchgezogene Kurve entspricht in etwa dem Schichtenstapel 4, der zur Kurve CI korrespondiert.
Der Schichtenstapel 4 weist zusätzlich eine Absorberschicht auf. Die Absorberschicht umfasst Si. Sendet ein Emittertbereich beispielsweise elektromagnetische Strahlung mit einer Peakwellenlänge von 504 nm aus, wird die elektromagnetische Strahlung zu ca. 5 % reflektiert. Ferner wird diese elektromagnetische Strahlung mit einer Peakwellenlänge von 504 nm zu ca. 1,1 % absorbiert. Damit kann mit Vorteil ein vorgegebener Wellenlängenbereich absorbiert werden. Die Absorption weist weiterhin einen dritten periodischen Verlauf auf, wobei der dritte periodische Verlauf der Absorption derart gegenüber der Kurve der Reflexion verschoben ist, dass jeweils Berge der Kurve der Reflexion und Täler der Kurve der Absorption in etwa zusammenfallen .
In Verbindung mit der Figur 4 ist ein Verlauf der Dicke 5 des Schichtenstapels 4 über den strahlungsemittierenden Halbleiterchips 2, insbesondere über den Emitterbereichen 3, dargestellt. Die durchgezogene Linie entspricht einer Dicke 5 des Schichtenstapels 4, wobei der Schichtenstapel 4 ohne Verteilungsblende 14 aufgebracht ist. Die gestrichelte Linie entspricht einer Dicke 5 des Schichtenstapels 4, wobei der Schichtenstapel 4 mit Verteilungsblende 14 aufgebracht ist.
Die strahlungsemittierenden Halbleiterchips 2 des strahlungsemittierenden Halbleiterbauteils 1 weisen gemäß der Figur 5 eine Halbleiterschichtenfolge 9 mit einer ersten Halbleiterschicht 10 und einer zweiten Halbleiterschicht 12 auf, zwischen denen ein aktiver Bereich 11 angeordnet ist.
Die Halbleiterschichtenfolge 9 ist auf einem Träger 15 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den strahlungsemittierenden Halbleiterchips 2 jeweils um einen Oberflächenemitter.
In einem ersten Randbereich jedes strahlungsemittierenden Halbleiterchips 2 ist eine erste reflektierende Fläche 19 angeordnet, wobei ein Winkel zwischen der ersten reflektierenden Fläche 19 und einer Haupterstreckungsebene des strahlungsemittierenden Halbleiterbauteils 1 ungefähr 45° beträgt. Weiterhin ist auf einer Deckfläche der Halbleiterschichtenfolge 9 im ersten Randbereich eine hochreflektierende Beschichtung 18 angeordnet.
In einem zweiten Randbereich jedes strahlungsemittierenden Halbleiterchips 2 ist eine zweite reflektierende Fläche 20 angeordnet, wobei ein Winkel zwischen der zweiten reflektierenden Fläche 20 und der Haupterstreckungsebene ungefähr 45° beträgt. Weiterhin ist auf der Deckfläche der Halbleiterschichtenfolge 9 im zweiten Randbereich ein Schichtenstapel 4 angeordnet. Bei der Halbleiterschichtenfolge 9 handelt es sich um eine gemeinsame Halbleiterschichtenfolge 9. Zwischen dem Schichtenstapel 4 und der hochreflektierenden Beschichtung 18 ist auf der Deckfläche der Halbleiterschichtenfolge 9 entlang der longitudinalen Richtung 7 eine erste Kontaktschicht 16 angeordnet. Auf einer gegenüberliegenden Bodenfläche der Halbleiterschichtenfolge 9 sind entlang der longitudinalen Richtung 7 mehrere zweite Kontaktschichten 17 angeordnet, die sich jeweils in longitudinaler Richtung 7 erstrecken und in lateraler Richtung 6 beabstandet voneinander sind. Durch die erste Kontaktschicht 16 und jeweils eine der zweiten Kontaktschichten 17 ist eine Dimension jeweils eines aktiven Bereichs 11 in der lateralen Richtung 6 vorgegeben.
Die in dem aktiven Bereich 11 erzeugte elektromagnetische Strahlung bildet jeweils einen Strahl mit einem Strahlprofil, das im Querschnitt senkrecht zu der longitudinalen Richtung 7 eine laterale und eine vertikale Ausdehnung aufweist. Elektromagnetische Strahlung, die sich in Richtung der ersten reflektierenden Fläche 19 ausbreitet, wird mittels der hochreflektierenden Beschichtung 18 und nochmaliger Reflexion an der ersten reflektierenden Fläche 19 in Richtung der zweiten reflektierenden Fläche 20 gelenkt. Emittierte elektromagnetische Strahlung, die sich in Richtung der zweiten reflektierenden Fläche 20 ausbreitet, überlagert sich mit der an der ersten reflektierenden Fläche 19 reflektierten Strahlung. Die so überlagerte elektromagnetische Strahlung des aktiven Bereichs 11 wird im Bereich des Emitterbereichs 3 überlagert und wird beispielsweise ausgekoppelt.
Die ausgekoppelte Strahlung ist damit verstärkt und weist eine erhöhte Helligkeit und einen erhöhten Lichtstrom auf. Damit handelt es sich bei den strahlungsemittierenden Halbleiterchips 2 beispielsweise um superluminiszente Dioden.
Beispielsweise kann die Reflexion des Schichtenstapels 4 so angepasst sein, dass das Bauteil dazu ausgebildet ist Laserstrahlung zu emittieren. In diesem Fall handelt es sich bei den strahlungsemittierenden Halbleiterchips 2 beispielsweise um Laserdioden.
Jeder aktive Bereich 11 gemäß der Figur 6 ist zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung ausgebildet, die jeweils eine gleiche Peakwellenlänge aufweist. Weiterhin weist der Schichtenstapel 4 über den Emitterbereichen 3 einen Gradienten in der Dicke 5 auf.
Beispielsweise umfasst das strahlungsemittierende Halbleiterbauteil 1 vier strahlungsemittierende Halbleiterchips 2. Die von den Emitterbereichen 3 emittierte elektromagnetische Strahlung tritt in den Schichtenstapel 4 ein, wo sie unterschiedlich reflektiert wird. Damit kann eine Peakwellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, die von dem Schichtenstapel 4 ausgesendet wird, über den Emitterbereichen 3 unterschiedlich ausgebildet sein. Damit können mehrere Peakwellenlängen von dem strahlungsemittierenden Halbleiterbauteil 1 ausgesendet werden.
Das strahlungsemittierende Halbleiterbauteil 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 7 umfasst 30 strahlungsemittierende Halbleiterchips 2, die in lateraler Richtung 6 nebeneinander angeordnet sind. Ein Querschnitt durch den Schichtenstapel 4 weist eine Sägezahnform auf. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst eine Periode 21 des ersten periodischen Verlaufs 22 zehn strahlungsemittierende Halbleiterchips 2. Weiterhin umfasst der erste periodische Verlauf 22 drei Perioden 21. Die Periode 21 des zweiten periodischen Verlaufs 23 entspricht der Figur 1.
Bei dem Verfahrensstadium zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterbauteils 1 werden zunächst strahlungsemittierender Halbleiterchips 2 bereitgestellt, die in lateraler Richtung 6 nebeneinander angeordnet sind. Diese Anordnung von strahlungsemittierenden Halbleiterchips 2 wird nachfolgend in eine Aufnahme 13 eingesetzt. Die Aufnahme 13 ist dazu ausgebildet sich kreisförmig um einen Mittelpunkt zu bewegen .
Ein Schichtenstapel 4 wird nachfolgend durch einen Sputterprozess mittels einer Verteilungsblende 14 auf die strahlungsemittierenden Halbleiterchips 2 aufgebracht. Die Verteilungsblende 14 ist derart ausgebildet, dass der Schichtenstapel 4 nach dem Aufbringen eine Dicke 5 aufweist, die stellenweise über den Emitterbereichen 3 unterschiedlich ausgebildet ist. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Verteilungsblende 14 eine Sägezahnform auf.
Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Merkmale und Ausführungsbeispiele können gemäß weiteren
Ausführungsbeispielen miteinander kombiniert werden, auch wenn nicht alle Kombinationen explizit beschrieben sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen . 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.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102021 103 593.7, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bezugszeichenliste
1 strahlungsemittierendes Halbleiterbauteil
2 strahlungsemittierender Halbleiterchip
3 Emitterbereich
4 Schichtenstapel
5 Dicke
6 laterale Richtung
7 longitudinale Richtung
8 vertikale Richtung
9 Halbleiterschichtenfolge
10 erste Halbleiterschicht
11 aktiver Bereich
12 zweite Halbleiterschicht
13 Aufnahme
14 Verteilungsblende
15 Träger
16 erste Kontaktschicht
17 zweite Kontaktschicht
18 hochreflektierende Beschichtung
19 erste reflektierende Fläche
20 zweite reflektierende Fläche
21 Periode
22 erster periodischer Verlauf
23 zweiter periodischer Verlauf
R Reflexion
A Absorption wL Wellenlänge
CI erste Kurve
C2 zweite Kurve
C3 dritte Kurve

Claims

Ansprüche
1. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauteil (1), mit
- zumindest zwei strahlungsemittierenden Halbleiterchips (2), die jeweils dazu ausgebildet sind elektromagnetische Strahlung über einen Emitterbereich (3) zu emittieren, und
- einem Schichtenstapel (4), der teilweise reflektierend für elektromagnetische Strahlung ausgebildet ist, wobei
- der Schichtenstapel (4) auf den Emitterbereichen (3) angeordnet ist, und
- der Schichtenstapel (4) eine Dicke (5) aufweist, die stellenweise unterschiedlich ausgebildet ist.
2. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die strahlungsemittierenden Halbleiterchips (2) eine gemeinsame Halbleiterschichtenfolge (9) aufweisen.
3. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Emitterbereiche (3) in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.
4. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem eine Peakwellenlänge einer aus dem Schichtenstapel (4) ausgekoppelten elektromagnetischen Strahlung abhängig von der Dicke (5) ist.
5. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem das strahlungsemittierende Halbleiterbauteil (1) dazu ausgebildet ist, elektromagnetische Strahlung mit zumindest zwei voneinander verschiedenen Peakwellenlängen auszusenden.
6. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Dicke (5) des Schichtenstapels (4) entlang der Emitterbereiche (3) einen ersten periodischen Verlauf (22) aufweist.
7. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Dicke (5) des Schichtenstapels (4) entlang der Emitterbereiche (3) innerhalb einer Periode (21) des ersten periodischen Verlaufs
(22) stellenweise unterschiedlich ausgebildet ist.
8. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch mit zumindest vier strahlungsemittierenden Halbleiterchips (2), bei dem
- eine Reflexion von elektromagnetischen Strahlung an dem Schichtenstapel (4) einen zweiten periodischen Verlauf (23) aufweist, und
- sich eine Periode (21) des zweiten periodischen Verlaufs
(23) über zumindest zwei direkt benachbarte Emitterbereiche (3) erstreckt.
9. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Querschnitt durch den Schichtenstapel (4) eine Sägezahnform aufweist.
10. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
- der Schichtenstapels (4) eine Vielzahl von Schichten aufweist, und
- relative Dickenverhältnisse der Schichten zueinander entlang der Emitterbereiche (3) gleich sind.
11. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Absorberschicht in dem Schichtenstapels (4) angeordnet ist.
12. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jeder strahlungsemittierende Halbleiterchip (2) eine Laserdiode ist.
13. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem jeder strahlungsemittierende Halbleiterchip (2) eine superlumineszente Diode ist.
14. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Emitterbereiche (3) senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Halbleiterbauteils (1) angeordnet sind.
15. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Emitterbereiche (3) parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Halbleiterbauteils (1) angeordnet sind.
16. Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterbauteils (1) mit den Schritten:
- Bereitstellen zumindest zweier strahlungsemittierender Halbleiterchips (2), die jeweils dazu ausgebildet sind elektromagnetische Strahlung über einen Emitterbereich (3) zu emittieren, und
- Aufbringen eines Schichtenstapels (4), der teilweise reflektierend für elektromagnetische Strahlung ausgebildet ist, auf den Emitterbereichen (3), wobei - der Schichtenstapel (4) einen Dicke (5) aufweist, die stellenweise unterschiedlich ausgebildet ist.
17. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Schichtenstapel (4) durch ein Sputterprozess mittels einer
Verteilungsblende (14) aufgebracht wird.
18. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Verteilungsblende (14) in Draufsicht eine Sägezahnform aufweist.
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