DE102005048408B4

DE102005048408B4 - Dünnfilm-Halbleiterkörper

Info

Publication number: DE102005048408B4
Application number: DE102005048408.5A
Authority: DE
Inventors: Dr. Härle Volker; Dr. Bader Stefan; Dr. Hahn Berthold
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2005-06-10
Filing date: 2005-10-10
Publication date: 2015-03-19
Anticipated expiration: 2025-10-11
Also published as: WO2006131087A1; TW200705719A; TWI314788B; DE102005048408A1

Abstract

Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) mit
– einer zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Schicht (4),
– einer der aktiven Schicht nachgeordneten Strahlungsauskoppelfläche (21),
– einer auf der der Strahlungsauskoppelfläche (21) abgewandten Seite der aktiven Schicht (4) angeordneten Reflexionsschicht (6), und
– einem photonischen Kristall (7), wobei
ein Abstand zwischen der Reflexionsschicht (6) und der aktiven Schicht (4) so gewählt ist, dass Intensitätsmaxima verschiedener Ordnungen auftreten, und der photonische Kristall auf die Strahlung höherer Ordnungen abgestimmt ist und wobei die aktive Schicht (4) zwischen einer ersten Halbleiterschicht (3) eines ersten Leitfähigkeitstyps und einer zweiten Halbleiterschicht (5) eines zweiten Leitfähigkeitstyps angeordnet ist, der Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) einen Resonator (6, 14) umfasst und der zweiten Halbleiterschicht (3) eine zweite Reflexionsschicht (14) nachgeordnet ist, die für eine Transmission der Strahlung durchlässig beziehungsweise halbdurchlässig ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Dünnfilm-Halbleiterkörper und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Strahlungserzeugende Halbleiterkörper sind oftmals aus Halbleitermaterialien gefertigt, deren Brechungsindex im vergleich zu einem umgebenden Medium, beispielsweise Luft, relativ hoch ist. Bei der Auskopplung der im Halbleiterkörper erzeugten Strahlung kann somit an einer Grenzfläche zwischen dem Halbleiterkörper und dem umgebenden Medium ab einem bestimmten Grenzwinkel Totalreflexion auftreten, was zu einem erheblich geringeren Anteil auskoppelbarer Strahlung führt.
Zur Lösung dieses Problems sind verschiedene Ansätze bekannt. Da bei einer kubischen Geometrie des Halbleiterkörpers verstärkt Totalreflexion auftritt, können beispielsweise durch eine veränderte Geometrie Verluste aufgrund der Totalreflexion reduziert werden. Allerdings ist dadurch typischerweise eine Leuchtfläche verringert. Ferner können durch eine geeignete Abstrahlcharakteristik der im Halbleiterkörper erzeugten Strahlung die Verluste reduziert werden. Weiterhin kann durch Aufrauhung einer Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers die Strahlungsauskopplung erhöht werden.
Aus der Offenlegungsschrift DE 103 40 271 A1 ist ein Dünnschicht-Leuchtdiodenchip mit verbesserter Strahlungsauskopplung bekannt, bei dem auf einer Strahlungsauskoppelfläche eine strukturierte Schicht angeordnet ist. Die strukturierte Schicht weist ein Raster auf, dessen laterales Maß kleiner als eine Wellenlänge einer aus dem Chip emittierten Strahlung ist.
Ferner ist aus der Patentschrift US 5 779 924 A ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement mit verbesserter Strahlungsauskopplung bekannt, das eine regelmäßig strukturierte Grenzfläche aufweist. Der Abstand zwischen den einzelnen Elementen der Struktur kann dabei im Bereich einer Wellenlänge des im Bauelement erzeugten Lichts liegen.
Aus der Druckschrift WO 2004/093 131 A2 ist weiterhin eine Leuchtdiode mit einer zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Schicht, einer der aktiven Schicht nachgeordneten Strahlungsauskoppelfläche und einer auf der der Strahlungsauskoppelfläche abgewandten Seite der aktiven Schicht angeordneten Reflexionsschicht bekannt, welche eine optische Struktur aufweist, welche geeignet sein soll, sämtliche geführte Moden in der Leuchtdiode zu eliminieren.
Schließlich beschreibt die Druckschrift WO 2005/008 791 A2 eine Anordnung, welche optional in einer resonanten lichtemittierenden Diode mit Resonanzkavität integriert werden kann und welche ebenfalls ein photonisches Kristall umfasst.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Dünnfilm-Halbleiterkörper mit einer besonders effizienten Strahlungsauskopplung anzugeben. Diese Aufgabe wird durch einen Dünnfilm-Halbleiterkörper gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren für einen solchen Dünnfilm-Halbleiterkörper anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 23 gelöst.
Der Dünnfilm-Halbleiterkörper umfasst eine zur Erzeugung von Strahlung vorgesehene aktive Schicht, eine der aktiven Schicht nachgeordnete Strahlungsauskoppelfläche und eine auf der der Strahlungsauskoppelfläche abgewandten Seite der aktiven Schicht angeordnete Reflexionsschicht, wobei der Dünnfilm-Halbleiterkörper einen photonischen Kristall aufweist.
Der Dünnfilm-Halbleiterkörper zeichnet sich insbesondere durch mindestens eines der folgenden charakteristischen Merkmale aus:

– die aktive Schicht ist Teil einer strahlungserzeugenden Epitaxieschichtenfolge;
– die Reflexionsschicht, die zumindest einen Teil der in der Epitaxieschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert, ist an einer zu einem Träger hingewandten ersten Hauptfläche der Epitaxieschichtenfolge aufgebracht oder ausgebildet;
– wenn die Reflexionsschicht als Bragg-Spiegel ausgebildet ist, kann sie ebenfalls Teil der Epitaxieschichtenfolge sein;
– die Epitaxieschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich von 20 μm oder weniger, insbesondere im Bereich zwischen 4 μm und 10 μm auf; und
– die Epitaxieschichtenfolge enthält mindestens eine Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichts in der Epitaxieschichtenfolge führt, d. h. sie weist ein möglichst ergodisch stochastisches Streuverhalten auf.

Das Grundprinzip eines Dünnfilm-Halbleiterkörpers ist beispielsweise in der Druckschrift I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, S. 2174 bis 2176 beschrieben.
Unter dem Dünnfilm-Halbleiterkörper wird vorliegend insbesondere ein Halbleiterkörper verstanden, der einen Schichtaufbau mit epitaktisch aufgewachsenen Schichten aufweist, von dem vorzugsweise das Aufwachssubstrat nach dem Aufwachsen entfernt worden ist. Zumindest ein Teil der epitaktisch aufgewachsenen Schichten sind Halbleiterschichten.
Im Rahmen der Erfindung weist der Dünnfilm-Halbleiterkörper einen photonischen Kristall auf. Der photonische Kristall kann in einer auf einer der Reflexionsschicht abgewandten Seite der aktiven Schicht ausgebildeten zweiten Halbleiterschicht angeordnet sein. Alternativ kann der zweiten Halbleiterschicht eine Auskoppelschicht, die vorzugsweise ein Halbleitermaterial enthält, nachgeordnet sein, in der der photonische Kristall angeordnet beziehungsweise ausgebildet ist.
Das Problem der durch Totalreflexion verursachten Strahlungsverluste kann durch den photonischen Kristall vorteilhaft gelöst werden.
Ein aus dem Halbleiterkörper kommender Lichtstrahl wird dann an der Grenzfläche zwischen dem optisch dichteren Halbleitermaterial mit einem Brechungsindex n1 und dem umgebenden optisch dünneren Medium, beispielsweise Luft, mit einem Brechungsindex n2 totalreflektiert, wenn er auf die Grenzfläche unter einem Winkel auftrifft, der größer als oder gleich dem Grenzwinkel ϑ der Totalreflexion ist, wobei gilt: sin(ϑ) = n2/n1.
Die Winkelangaben beziehen sich hier und im Folgenden auf die Normale der Grenzfläche im Auftreffpunkt des Lichtstrahls.
Der für den Dünnfilm-Halbleiterkörper vorgesehene photonische Kristall kann vorteilhafterweise bewirken, dass ein Teil der Strahlung, der unter einem Winkel gleich oder größer als dem Grenzwinkel ϑ auf den photonischen Kristall auftrifft, derart umgelenkt wird, dass er unter einem Winkel kleiner als dem Grenzwinkel ϑ auf die Strahlungsauskoppelfläche auftrifft und somit auskoppeln kann.
Vorzugsweise umfasst der photonische Kristall eine Mehrzahl von ersten Bereichen mit einem ersten Brechungsindex und eine Mehrzahl von zweiten Bereichen mit einem zweiten Brechungsindex. Besonders bevorzugt sind die Bereiche regelmäßig angeordnet. Insbesondere kann im Rahmen der Erfindung der photonische Kristall die Struktur eines zweidimensionalen Gitters aufweisen. Dabei entspricht der Abstand zwischen zwei benachbarten ersten Bereichen beziehungsweise zwei benachbarten zweiten Bereichen der Gitterkonstante. Der photonische Kristall kann seine Wirkung nur dann erzielen, wenn die Gitterkonstante einerseits an eine Wellenlänge der von dem Dünnfilm-Halbleiterkörper erzeugten Strahlung, andererseits an einen Abstand zwischen der aktiven Schicht und dem photonischen Kristall angepasst ist. Vorzugsweise entspricht der Abstand zwischen zwei benachbarten ersten Bereichen beziehungsweise zwei benachbarten zweiten Bereichen ungefähr der Wellenlänge der von dem Dünnfilm-Halbleiterkörper erzeugten Strahlung. Besonders bevorzugt liegt der Abstand zwischen 10^–9 m und 10^–6 m.
Die ersten Bereiche können einerseits durch Vertiefungen in periodischer Anordnung in der zweiten Halbleiterschicht beziehungsweise in der Auskoppelschicht gebildet sein. Andererseits ist es möglich, die Bereiche selbst gitterartig periodisch anzuordnen, wobei diese inselartig ausgebildet und durch geeignete Zwischenräume, beispielsweise eine zusammenhängende Vertiefung, voneinander getrennt sind. Die zweite Möglichkeit stellt somit die Inversion der ersten Möglichkeit dar, indem die Bereiche und die Vertiefungen gegeneinander vertauscht sind. In beiden Fällen können vorteilhafterweise die Vertiefungen beziehungsweise Zwischenräume mit einem Füllmaterial, beispielsweise einem Dielektrikum oder einem anderen Halbleitermaterial, gefüllt sein, dessen Brechungsindex sich von dem Brechungsindex des ersten Bereichs unterscheidet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Dünnfilm-Halbleiterkörper neben einem photonischen Kristall einen geeigneten Abstand zwischen der aktiven Schicht und der Reflexionsschicht auf. Der Abstand ist bevorzugt so gewählt, dass eine von der aktiven Schicht in Richtung der Strahlungsauskoppelfläche ausgesandte Strahlung mit einer von der Reflexionsschicht reflektierten Strahlung interferiert. Vorteilhafterweise resultiert daraus eine Abstrahlcharakteristik mit mindestens einer Vorzugsrichtung. Dadurch kann der Anteil der auskoppelbaren Strahlung weiter erhöht werden.
Die durch die aktive Schicht erzeugte und die durch die Reflexionsschicht reflektierte Strahlung können bei bestimmten Abständen zwischen der aktiven Schicht und der Reflexionsschicht konstruktiv interferieren. Beispielsweise treten bei einer senkrecht auf die Strahlungsauskoppelfläche einfallenden Strahlung Intensitätsmaxima auf, wenn der Abstand zwischen der aktiven Schicht und der Reflexionsschicht (2m + 1)λ/4n beträgt, wobei n der Brechungsindex des Halbleiterkörpers ist und m gleich 0, 1, 2 ... die Ordnung der Auskopplung angibt. Bei der Auskopplung 0. Ordnung werden sämtliche Photonen in einen Kegel, dessen Rotationssymmetrieachse im Wesentlichen senkrecht zur Strahlungsauskoppelfläche steht, abgestrahlt. Bei der Auskopplung 1. Ordnung existiert eine zusätzliche Abstrahlkeule mit einem größeren Winkel zur Normalen der Auskoppelfläche. Bei der Auskopplung m'ter Ordnung existieren m zusätzliche solche Abstrahlkeulen.
Durch eine entsprechende Einstellung des Abstands zwischen der aktiven Schicht und der Reflexionsschicht, der beispielsweise im Wesentlichen (2m + 1)λ/4 beträgt, wird eine Abstrahlung mit einer Vorzugsrichtung erzielt, deren Abstrahlcharakteristik von einer Lambert'schen Abstrahlcharakteristik abweicht und die abwechselnd angeordnete Bereiche mit einer hohen und einer niedrigen Intensität aufweist. Der Abstand der Reflexionsschicht zur aktiven Schicht kann derart gewählt und damit auch die Abstrahlcharakteristik innerhalb des Halbleiterkörpers so eingestellt werden, dass bei einem den Intensitätsmaxima zugeordneten erhöhten Strahlungsanteil vorzugsweise schon beim ersten Auftreffen auf die Strahlungsauskoppelfläche der Einfallswinkel kleiner als der Grenzwinkel der Totalreflexion ist.
Während bei einer Berücksichtigung des geeigneten Abstands ohne eine Verwendung des photonischen Kristalls im Wesentlichen die nullte und die 1. Ordnung zur Auskopplung gelangen, kann mittels des photonischen Kristalls vorteilhafterweise zusätzlich die 2. Ordnung oder eine höhere Ordnung auskoppeln. Dabei muss der photonische Kristall auf die 1. und 2. Ordnung und gegebenenfalls höhere Ordnungen der Strahlung abgestimmt sein.
In der Regel weist die aktive Schicht mehrere Teilschichten, beispielsweise in Form einer Einfach-Quantentopf- oder einer Mehrfach-Quantentopf-Struktur auf.
Der Dünnfilm-Halbleiterkörper weist mindestens eine erste Halbleiterschicht eines ersten Leitungstyps, die zwischen der aktiven Schicht und der Reflexionsschicht angeordnet ist, und mindestens die zweite Halbleiterschicht eines zweiten Leitungstyps auf. Die erste Halbleiterschicht ist vorzugsweise p-leitend, und die zweite Halbleiterschicht ist vorzugsweise n-leitend. Die Halbleiterschichten sind besonders bevorzugt für die in der aktiven Schicht erzeugte Strahlung durchlässig.
Der Dünnfilm-Halbleiterkörper kann beispielsweise eine Barriereschicht enthalten, die zwischen der ersten Halbleiterschicht und der Reflexionsschicht angeordnet ist und zum Beispiel als Ladungsträger-Diffusionssperre wirkt, die das Heraustreten von Ladungsträgern aus der ersten Halbleiterschicht in Richtung der Reflexionsschicht verhindert oder zumindest reduziert. Die Ladungsträger-Barriereschicht ist vorzugsweise zumindest teilweise halbleitend und kann in einer Variante Aluminium enthalten. Die Ladungsträger-Barriereschicht ist vorzugsweise für die in der aktiven Schicht erzeugte Strahlung transparent.
Bei der Herstellung des Dünnfilm-Halbleiterkörpers werden mehrere Schichten des Halbleiterkörpers auf einem Aufwachssubstrat aufgewachsen, das als Wafer vorliegen kann. Zunächst wird die n-leitende zweite Halbleiterschicht vorzugsweise epitaktisch abgeschieden. Des Weiteren werden nacheinander die aktive Schicht oder Teilschichten der aktiven Schicht, die vorzugsweise p-leitende erste Halbleiterschicht und gegebenenfalls eine Ladungsträger-Barriereschicht epitaktisch aufgewachsen. Danach wird die Reflexionsschicht vorzugsweise durch Aufsputtern oder Aufdampfen aufgetragen.
Die Reflexionsschicht ist vorzugsweise eine Metallschicht. Die Reflexionsschicht ist vorzugsweise hochreflektierend, wobei sie z. B. mindestens 70%, vorzugsweise mindestens 80% der einfallenden Strahlung reflektiert. Die Reflexionsschicht enthält beispielsweise Silber, Gold, Platin oder Aluminium und/oder eine Legierung, die mindestens zwei dieser Metalle enthält. Die Reflexionsschicht kann auch eine Mehrschichtenfolge mit mehreren Schichten aus verschiedenen der vorgenannten Metalle und Legierungen gebildet sein. Außerdem kann die Reflexionsschicht als Bragg-Spiegel ausgebildet sein.
Der Schichtenverbund, der die Epitaxie-Schichtenfolge, das Aufwachssubstrat und die Reflexionsschicht umfasst, wird vorzugsweise durch eutektisches Bonden mit einem Träger fest verbunden, der hinsichtlich elektrischer und/oder thermischer Eigenschaften optimiert sein kann und an dessen optische Eigenschaften, etwa seine Transparenz, keine besonderen Anforderungen gestellt werden. Der Träger ist vorzugsweise elektrisch leitend oder zumindest halbleitend. Geeignet sind als Trägermaterial zum Beispiel Germanium, Galliumarsenid, Siliziumcarbid, Aluminiumnitrid oder Silizium. Eine der Reflexionsschicht zugewandte Oberfläche des Trägers ist vorzugsweise planar. Das Aufwachssubstrat wird nach dem Verbinden des Schichtenverbundes mit dem Träger vom Halbleiterkörper abgelöst.
Zwischen der Reflexionsschicht und dem Träger kann mindestens eine Haftvermittlungsschicht vorgesehen sein. Die vorzugsweise elektrisch leitende Haftvermittlungsschicht verbindet den Träger mit dem Schichtenverbund, wobei die Reflexionsschicht dem Träger zugewandt ist. Die Haftvermittlungsschicht kann insbesondere eine Metallschicht zum Beispiel aus PdSn (Lot), AuGe, AuBe, AuSi, Sn, In oder PdIn sein. Die Reflexionsschicht kann durch eine zwischen der Reflexionsschicht und der Haftvermittlungsschicht angeordnete Diffusionssperrschicht, die zum Beispiel Ti und/oder W enthält, geschützt sein. Eine Diffusionssperrschicht verhindert das Eindringen von Material aus der Haftvermittlungsschicht in die Reflexionsschicht. Ferner kann der zweiten Halbleiterschicht eine weitere Schicht nachgeordnet sein, die als Auskoppelschicht dient. Vorzugsweise ist in der Auskoppelschicht der photonische Kristall angeordnet.
Alle hier genannten Schichten des Dünnfilm-Halbleiterkörpers, insbesondere die aktive Schicht und die Halbleiterschichten des Halbleiterkörpers, können jeweils aus mehreren Teilschichten bestehen.
Die Wellenlänge der ausgekoppelten Strahlung kann im Infrarotbereich, sichtbaren Bereich oder Ultraviolettbereich liegen. Der Halbleiterkörper kann je nach Wellenlänge auf der Basis von verschiedenen Halbleitermaterialsystemen hergestellt werden. Für eine langwellige Strahlung ist zum Beispiel ein Halbleiterkörper auf Basis von In_xGa_yAl_1-x-yAs, für sichtbare rote bis gelbe Strahlung zum Beispiel ein Halbleiterkörper auf Basis von In_xGa_yAl_1-x-yP und für kurzwellige sichtbare (grün bis blau) oder UV-Strahlung zum Beispiel ein Halbleiterkörper auf Basis von In_xGa_yAl_1-x-yN geeignet, wobei gilt 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Halbleiterkörper GaN oder mindestens eine GaN-Verbindung wie beispielsweise AlGaN, InGaN oder InAlGaN.
Vorzugsweise entspricht der Abstand zwischen der ersten Reflexionsschicht und der aktiven Schicht der Dicke der ersten Halbleiterschicht. Besonders bevorzugt ist der Abstand zwischen der ersten Reflexionsschicht und der aktiven Schicht kleiner als 2λ, wobei λ die Wellenlänge der im Halbleiterkörper erzeugten Strahlung ist.
Bei der Auskopplung der Strahlung aus dem Halbleiterkörper können Fresnel-Verluste auftreten. Diese können durch eine Entspiegelungsstruktur, die an die Strahlungsauskoppelfläche grenzt, reduziert werden. Vorzugsweise ist die Entspiegelungsstruktur durch regelmäßig angeordnete Strukturelemente, zum Beispiel in Form sogenannter Mottenaugen, gebildet. Die Strukturelemente können zwischen zwei ersten oder zweiten Bereichen angeordnet sein. Besonders bevorzugt ist die laterale Abmessung zwischen zwei benachbarten Strukturelementen kleiner als die Wellenlänge der vom Halbleiterkörper emittierten Strahlung.
Durch die Ausbildung der Strukturelemente kann eine sprunghafte Änderung des Brechungsindexes an einer Grenze zwischen dem ersten und zweiten Bereich verhindert werden. Vielmehr ist durch die Strukturelemente ein nahezu kontinuierlicher Übergangmöglich, so dass Lichtwellen praktisch nicht reflektiert werden.
Der Dünnfilm-Halbleiterkörper weist einen optischen Resonator auf. Ein solcher Dünnfilm-Halbleiterkörper kann beispielsweise eine Dünnfilm-MCLED (Dünnfilm Micro Cavity LED) sein.
Ein Dünnfilm-Halbleiterkörper mit einem optischen Resonator weist auf der zweiten Halbleiterschicht eine zweite Reflexionsschicht auf. Die Emissionsrichtung des Halbleiterkörpers verläuft typischerweise parallel zur Achse eines so aus der ersten und zweiten Reflexionsschicht gebildeten Resonators. Vorzugsweise ist die erste Reflexionsschicht hochreflektierend. Die zweite Reflexionsschicht ist für eine Transmission der Strahlung durchlässig beziehungsweise halbdurchlässig.
Insbesondere zwei Vorteile sind in Bezug auf diesen Dünnfilm-Halbleiterkörper zu nennen. Zum einen kann ein im Vergleich zum nicht-resonanten Halbleiterkörper größerer Anteil der Strahlung ausgekoppelt werden. Zum anderen weist die Strahlung eine Hauptabstrahlrichtung auf, wobei die spektrale Breite vorteilhaft gering ist.
Sowohl die erste als auch die zweite Reflexionsschicht können als Mehrschichtenfolge ausgebildet sein. Besonders bevorzugt enthalten die Reflexionsschichten ein Metall oder ein anderes reflexionssteigerndes Material.
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Dünnfilm-Halbleiterkörpers mit einer zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Schicht, einer der aktiven Schicht nachgeordneten Strahlungsauskoppelfläche, mit einem photonischen Kristall und einer auf der der Strahlungsauskoppelfläche abgewandten Seite der aktiven Schicht angeordneten Reflexionsschicht wird an einer zu einem Träger hingewandten ersten Hauptseite einer strahlungserzeugenden Epitaxie-Schichtenfolge eine Reflexionsschicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Epitaxie-Schichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert und eine von dem Träger abgewandte zweite Hauptseite, die die spätere Strahlungsauskoppelfläche bildet, wird mit einem photonischen Kristall versehen.
Bei einer bevorzugten Ausführung ist auf der der ersten Reflexionsschicht abgewandten Seite des Halbleiterkörpers eine Auskoppelschicht vorhanden, in die zur Ausbildung eines photonischen Kristalls Vertiefungen eingebracht werden können. Alternativ können die Vertiefungen in die der ersten Reflexionsschicht gegenüber liegende oberste Schicht der Epitaxie-Schichtenfolge, vorzugsweise in die zweite Halbleiterschicht, eingebracht werden.
Zur Erzeugung der Vertiefungen können herkömmliche Ätzverfahren eingesetzt werden. Vorzugsweise wird zur Übertragung einer Form der Vertiefungen in die für den photonischen Kristall vorgesehene Schicht ein Prägeverfahren, beispielsweise ein Nanoimprint-Verfahren, angewandt. Das Nanoimprint-Verfahren ist besonders für Mikro- und Nanostrukturen geeignet. Ferner eignet es sich für eine kostengünstige Serienproduktion.
Bei dem Nanoimprint-Verfahren wird ein Stempel, der auf einer Stempelfläche ein Negativ der gewünschten späteren Form der Vertiefungen aufweist, in eine auf dem Halbleiterkörper angeordnete Schicht geringer Viskosität gedrückt. Die so strukturierte Schicht dient nach einer Härtung, beispielsweise durch UV-Licht, als Maske für eine Strukturierung der für den photonischen Kristall vorgesehenen Schicht. Die Strukturierung wird vorzugsweise mittels Ätzen durchgeführt. Alternativ kann der Halbleiterkörper durch Laserstrahleinwirkung strukturiert werden. Anschließend kann die Maske abgelöst werden. Weiterhin können die so gebildeten Vertiefungen mit einem Füllmaterial gefüllt werden. Vorzugsweise unterscheidet sich der Brechungsindex des Füllmaterials vom Brechungsindex der umgebenden Schicht.
Im Vergleich zur Herstellung eines herkömmlichen Dünnfilm-Halbleiterkörpers, bei dem die Strahlungsauskopplung durch eine Aufrauhung der Strahlungsauskoppelfläche erhöht wird, weist das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren den Vorteil auf, dass eine damit einhergehende Aufrauhung eines Anschlussbereichs entfällt, wodurch eine verbesserte Prozessierbarkeit des Anschlussbereichs erreicht wird.
Weitere Merkmale, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend in Verbindung mit den 1 bis 8 erläuterten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1 eine schematische Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Dünnfilm-Halbleiterkörpers,
2 eine schematische Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Dünnfilm-Halbleiterkörpers.
3 eine schematische Querschnittsansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines Dünnfilm-Halbleiterkörpers,
4a und b ein Schaubild einer normierten Intensitätsverteilung eines Dünnfilm-Halbleiterkörpers ohne photonischen Kristall,
5 ein Schaubild einer Simulation eines Auskoppelwirkungsgrades eines Dünnfilm-Halbleiterkörpers ohne photonischen Kristall,
6 eine schematische Querschnittsansicht eines vierten Ausführungsbeispiels eines Dünnfilm-Halbleiterkörpers,
7 eine schematische Querschnittsansicht eines fünften Ausführungsbeispiels eines Dünnfilm-Halbleiterkörpers,
8 eine schematische Querschnittsansicht eines strahlungsemittierenden Bauelements mit einem Dünnfilm-Halbleiterkörper.
1 zeigt schematisch einen Dünnfilm-Halbleiterkörper 1. Dieser umfasst beispielhaft vier Schichten: Eine Reflexionsschicht 6, eine erste Halbleiterschicht 5, eine aktive Schicht 4 und eine zweite Halbleiterschicht 3. In der zweiten Halbleiterschicht 3 ist auf der von der aktiven Schicht 4 abgewandten Seite, also seitens der Strahlungsauskoppelfläche 21, ein photonischer Kristall 7 angeordnet. Der photonische Kristall weist Bereiche 7a mit einem ersten Brechungsindex und Bereiche 7b mit einem zweiten Brechungsindex auf. Während die Bereiche 7b aus einem gleichen Halbleitermaterial wie die zweite Halbleiterschicht 3 gebildet sind, sind die Bereiche 7a als Vertiefungen in die zweite Halbleiterschicht 3 eingebracht und mit einem Füllmaterial gefüllt, das einen von dem Halbleitermaterial verschiedenen Brechungsindex aufweist.
Vorzugsweise sind die Bereiche 7a zylinderförmig ausgebildet. Aber auch jede andere Form ist denkbar. Die Bereiche 7a sind in der zweiten Halbleiterschicht 3 regelmäßig angeordnet, sodass sich aufgrund dieser Anordnung ein zweidimensionales Gitter ergibt.
Strahlung 22, 23, die in der aktiven Schicht 4 erzeugt wird, kann auf direktem Wege in die zweite Halbleiterschicht 3 einkoppeln und zu der Strahlungsauskoppelfläche 21 gelangen. Auf indirektem Wege kann die Strahlung, wie beispielsweise der Strahl 29 veranschaulicht, zur Strahlungsauskoppelfläche 21 gelangen, wenn sie zuerst von der aktiven Schicht 4 in Richtung der Reflexionsschicht 6 emittiert und dann in Richtung der Strahlungsauskoppelfläche 21 reflektiert wird. Der Anteil der Strahlung, der unter einem Winkel kleiner als dem Grenzwinkel ϑ der Totalreflexion auf die Strahlungsauskoppelfläche 21 auftrifft, kann den Halbleiterkörper 1 beim ersten Auftreffen verlassen, wie beispielsweise der Strahl 22 veranschaulicht. Der Anteil der Strahlung, der jedoch unter einem Winkel größer oder gleich dem Grenzwinkel der Totalreflexion auf die Strahlungskoppelfläche 21 auftrifft, wie beispielsweise der Strahl 23 veranschaulicht, würde in einem herkömmlichen Halbleiterkörper beim ersten Auftreffen totalreflektiert werden.
Im Rahmen der Erfindung können durch die Anordnung des photonischen Kristalls 7 in der zweiten Halbleiterschicht 3 Auskoppelverluste aufgrund der Totalreflektion verringert werden. Dies ist anhand des Strahls 23 beispielhaft dargestellt. Der photonische Kristall 7 klappt den Strahl 23 durch einen Umklapp-Prozess, dargestellt durch einen Umklappvektor 20, in einen Strahl 24 um, der dann unter einem Winkel kleiner dem Winkel ϑ der Totalreflexion auf die Strahlungsauskoppelfläche 21 auftrifft.
Dies lässt sich dadurch erklären, dass in einem Gitter, welches von dem photonischen Kristall 7 gebildet wird, sogenannte Umklapp-Prozesse möglich sind. Der Umklapp-Prozess entspricht im Photonen-Bild einer statistischen Streuung, wobei sich der Wellenvektor eines Photons durch die Wechselwirkung mit dem Gitter ”umdrehen” kann. Die Wahrscheinlichkeit für einen Umklapp-Prozess hängt vom photonischen Kristall und von der Energie und der Einfallsrichtung des Photons ab.
Durch die Wechselwirkung mit dem photonischen Kristall 7 kann also die Ausfallrichtung der Strahlen umklappen, die unter einem Winkel gleich oder größer als dem Grenzwinkel ϑ auf den photonischen Kristall 7 auftreffen, so dass sie unter einem Winkel kleiner als dem Grenzwinkel ϑ auf die Strahlungsauskoppelfläche 21 auftreffen und somit auskoppeln können.
Der Strahl 24 tritt teilweise durch die Strahlungsauskoppelfläche 21 hindurch, was durch den Strahl 25 dargestellt ist, teilweise wird er an der Strahlungsauskoppelfläche 21 reflektiert, was durch den Strahl 26 dargestellt ist. Es sei angemerkt, dass der dem Strahl 26 entsprechende Anteil der reflektierten Strahlung erheblich geringer ist als der bei einer Totalreflexion reflektierte Anteil. Die Wirkung des photonischen Kristalls 7 ist vergleichbar mit einer Vergrößerung des Grenzwinkels der Totalreflexion.
Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Dünnfilm-Halbleiterkörpers 1 entspricht bis auf ein weiteres Merkmal dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel. Das weitere Merkmal sind Strukturelemente 13, die in Form sogenannter Mottenaugen ausgeführt sind, die in den Bereichen 7b regelmäßig angeordnet sind. Vorteilhafterweise lässt sich mittels einer so gebildeten Entspiegelungsstruktur der Anteil der auskoppelbaren Strahlung weiter erhöhen. Denn durch den bereits erwähnten nahezu kontinuierlichen Übergang des Brechungsindexes ausgehend von den Bereichen 7a bis zu den Strukturelementen 13, wird ein geringerer Anteil der Strahlung beim ersten Auftreffen auf die Strahlungsauskoppelfläche 21 zurück in den Halbleiterkörper reflektiert.
Mittels der Strukturelemente 13 kann ein Bereich 27 zwischen zwei Interferenzmaxima 28 homogen ausgeleuchtet werden.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Dünnfilm-Halbleiterkörpers 1, der einen Träger 9 und einen Mehrschichtaufbau 16 aufweist. Zwischen dem Träger 9 und dem Mehrschichtaufbau 16 ist eine Haftvermittlungsschicht 8 angeordnet. Der Mehrschichtaufbau 16 umfasst eine lichtemittierende aktive Schicht 4, die zwischen einer g-leitenden ersten Halbleiterschicht 5 und einer n-leitenden zweiten Halbleiterschicht 3 angeordnet ist.
Die erste Halbleiterschicht 5 ist zwischen der aktiven Schicht 4 und einer metallischen Reflexionsschicht 6 angeordnet. Die elektrisch leitende Reflexionsschicht 6 fungiert sowohl als Spiegel als auch als elektrische Kontaktschicht zur ersten Halbleiterschicht 5. Die Reflexionsschicht 6 ist durch eine Diffusionsbarriereschicht 12 geschützt, die zwischen der Reflexionsschicht 6 und der Haftvermittlungsschicht 8 angeordnet ist. Der zweiten Halbleiterschicht 3 ist eine Auskoppelschicht 2 nachgeordnet, die einen photonischen Kristall 7 mit den periodisch angeordneten Bereichen 7a und 7b aufweist.
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines solchen Dünnfilm-Halbleiterkörpers 1 werden auf einem hier nicht gezeigten Aufwachssubstrat nacheinander die zweite Halbleiterschicht 3, die aktive Schicht 4 und die erste Halbleiterschicht 5 epitaktisch erzeugt. Auf diesen Epitaxie-Mehrschichtaufbau wird zum Beispiel durch Sputtern oder Aufdampfen die Reflexionsschicht 6 aufgebracht. Der Mehrschichtaufbau 16 wird mittels der Haftvermittlungsschicht 8 mit dem Träger 9, der zum Beispiel aus Germanium besteht oder zu einem wesentlichen Teil Germanium aufweist, verbunden. Das Aufwachssubstrat wird danach entfernt.
Die Hauptabstrahlungsrichtung der in der aktiven Schicht 4 erzeugten Strahlung und der von der Reflexionsschicht 6 reflektierten Strahlung ist in 3 durch den Pfeil 10 beziehungsweise 11 angedeutet. Das durch die Interferenz der beiden Strahlungsanteile 10 und 11 erzeugte Licht tritt durch die Strahlungsauskoppelfläche 21 aus dem Dünnfilm-Halbleiterkörper 1 heraus.
Der Abstand d zwischen der Reflexionsschicht 6 und der aktiven Schicht 4, der in diesem Ausführungsbeispiel gleich der Dicke der ersten Halbleiterschicht 5 ist, ist derart eingestellt, dass die von der aktiven Schicht 4 abgestrahlte Strahlung mit einer von der Reflexionsschicht 6 reflektierten Strahlung interferiert.
Dadurch kann im vorliegenden Ausführungsbeispiel innerhalb des Halbleiterkörpers 1 die Abstrahlcharakteristik so eingestellt werden, dass zumindest die 0. und die 1. Ordnung in einem Winkel auf die Strahlungsauskoppelfläche 21 treffen, der unterhalb des Winkels ϑ der Totalreflexion liegt, sodass die Strahlung auskoppeln kann. Ferner kann mittels des photonischen Kristalls 7 durch Umklapp-Prozesse die Strahlung 2. Ordnung und gegebenenfalls höherer Ordnungen aus dem Halbleiterkörper 1 auskoppeln.
In den 4a und 4b sind Intensitätsverteilungen zweier Strahlung emittierender Dünnfilm-Halbleiterkörper mit glatter Strahlungsauskoppelfläche und ohne photonischen Kristall auf der Basis von GaN dargestellt, wobei die Dünnfilm-Halbleiterkörper einen unterschiedlichen Abstand d aufweisen.
Bevorzugte Werte für den Abstand d der aktiven Schicht 4 von der Reflexionsschicht 6 sind für die Strahlung mit der Wellenlänge λ = 455 nm (entspricht der Wellenlänge λ = 182 nm im Halbleiter auf der Basis von GaN mit einem Brechungsindex n = 2,5) etwa d = 50 nm für die Auskopplung nullter Ordnung, etwa d = 140 nm für die Auskopplung erster Ordnung und etwa d = 230 nm für die Auskopplung zweiter Ordnung.
In 4a ist die Intensitätsverteilung eines Dünnfilm-Halbleiterkörpers dargestellt, dessen Abstand zwischen der aktiven Schicht 4 und der Reflexionsschicht 6 etwa 155 nm beträgt. Somit ist der Abstand resonant eingestellt, und es kann in der Hauptabstrahlrichtung konstruktive Interferenz auftreten. Entsprechend der vorhergehenden Ausführungen kann aufgrund des Abstands ein Interferenzmaximum 0. und 1. Ordnung auftreten, wobei das Interferenzmaximum 0. Ordnung bei einem Winkel von etwa 0° auftritt. Die Interferenzmaxima 0. und 1. Ordnung sind aufgrund ihrer Breite nicht deutlich voneinander unterscheidbar.
Der Abstand des Dünnfilm-Halbleiterkörpers, dessen Intensitätsverteilung in 4b dargestellt ist, ist so eingestellt, dass in der Vorwärtsrichtung destruktive Interferenz auftritt. Der Abstand zwischen der aktiven Schicht 4 und der Reflexionsschicht 6 beträgt etwa 180 nm. Als Folge tritt bei 0° kein Interferenzmaximum auf. Stattdessen ist bei einem Winkel von –45° und 50° jeweils ein Intensitätsmaximum 1. Ordnung zu sehen.
In 5 ist eine Simulation eines Auskoppelwirkungsgrades, das heißt das Verhältnis des Anteils der ausgekoppelten Strahlung zur erzeugten Strahlung, gegenüber dem Abstand d dargestellt. Die Simulation basiert auf einem GaN-Halbleiterkörper ohne photonischen Kristall. Bei den Abständen d = 150 nm und d = 230 nm, bei denen in der Hauptabstrahlungsrichtung konstruktive Interferenz auftreten kann, nimmt der Auskoppelwirkungsgrad maximale Werte an. Dies gilt für alle Winkel gleichermaßen, wobei die Kurve 1 den Verlauf für einen Winkel von 20°, die Kurve 2 den Verlauf für einen Winkel von 30°, die Kurve 3 den Verlauf für einen Winkel von 40° und die Kurve 4 den Verlauf für einen Winkel von 50° dargestellt. Es ist anzunehmen, dass unterhalb von 150 nm weitere Maxima vorhanden sind.
Ausgehend von dem Brechungsindex n = 2,5 und einem Brechungsindex n = 1 für das umgebende Medium, vorzugsweise Luft, ergibt sich ein Grenzwinkel der Totalreflexion von etwa ϑ = 24°. Bei dem Abstand d = 230 nm bilden Strahlen der zweiten Ordnung, die auf die Strahlungsauskoppelfläche 21 auftreffen, mit der Normalen der Strahlungsauskoppelfläche 21 einen Winkel von etwa 60° und können somit totalreflektiert werden. Dadurch kann der Auskoppelwirkungsgrad bei 230 nm kleiner sein als bei 150 nm.
Mithilfe des photonischen Kristalls, der auf die 1. und die 2. Ordnung abgestimmt ist, kann die 2. Ordnung zur Auskopplung gelangen, indem Strahlen die unter einem Winkel größer oder gleich 24° auf den photonischen Kristall auftreffen, derart umgelenkt werden, dass sie unter einem Winkel kleiner als 24° auf die Strahlungsauskoppelfläche 21 auftreffen.
Bei dem vierten Ausführungsbeispiel gemäß 6 ist im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß 3 zwischen der aktiven Schicht 4 und der ersten Halbleiterschicht 5 mindestens eine weitere, vorzugsweise eine dünne Ladungsträger-Barriereschicht 15 angeordnet. Die Ladungsträger-Barriereschicht 15 ist vorzugsweise Bestandteil des Halbleiterkörpers 1 und daher epitaktisch aufgewachsen und halbleitend. Entsprechend dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist auf der zweiten Halbleiterschicht 3 eine Auskoppelschicht 2 mit einem photonischen Kristall 7 angeordnet. Sowohl in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel als auch in dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel können entsprechend dem in 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiels zwischen den Bereichen 7a Strukturelemente zur Bildung einer Entspiegelungsstruktur angeordnet sein.
Das in 7 dargestellte fünfte Ausführungsbeispiel entspricht einer Mikrokavität (Resonant Cavity LED). In Ergänzung zu dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das fünfte Ausführungsbeispiel auf der zweiten Halbleiterschicht 3 eine zweite Reflexionsschicht 14 auf. Der Abstand f zwischen der ersten Reflexionsschicht 6 und der zweiten Reflexionsschicht 14 ist dabei resonant eingestellt. Vorzugsweise entspricht der Abstand f der Wellenlänge der von der aktiven Schicht 4 emittierten Strahlung. Für die im Halbleiterkörper 1 auftretenden Interferenzeffekte gilt das bereits im Zusammenhang mit 3 erwähnte.
In 8 ist ein optisches Bauelement gezeigt, das einen gehäusten Dünnfilm-Halbleiterkörper 1 beispielsweise gemäß der in den 1 bis 5 vorgestellten Ausführungsbeispiele umfasst. Der Halbleiterkörper 1 wird auf einem Leiterrahmen 17 montiert und in einer Vertiefung des Gehäuses 18 verbaut. Die Vertiefung des Gehäuses 18 weist vorzugsweise eine Strahlung reflektierende Oberfläche auf. Der Halbleiterkörper 1 ist mit einer Vergussmasse 19 verkapselt.

Claims

Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) mit – einer zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Schicht (4), – einer der aktiven Schicht nachgeordneten Strahlungsauskoppelfläche (21), – einer auf der der Strahlungsauskoppelfläche (21) abgewandten Seite der aktiven Schicht (4) angeordneten Reflexionsschicht (6), und – einem photonischen Kristall (7), wobei ein Abstand zwischen der Reflexionsschicht (6) und der aktiven Schicht (4) so gewählt ist, dass Intensitätsmaxima verschiedener Ordnungen auftreten, und der photonische Kristall auf die Strahlung höherer Ordnungen abgestimmt ist und wobei die aktive Schicht (4) zwischen einer ersten Halbleiterschicht (3) eines ersten Leitfähigkeitstyps und einer zweiten Halbleiterschicht (5) eines zweiten Leitfähigkeitstyps angeordnet ist, der Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) einen Resonator (6, 14) umfasst und der zweiten Halbleiterschicht (3) eine zweite Reflexionsschicht (14) nachgeordnet ist, die für eine Transmission der Strahlung durchlässig beziehungsweise halbdurchlässig ist.
Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) nach Anspruch 1, wobei der photonische Kristall (7) auf einer der Strahlungsauskoppelfläche (21) zugewandten Seite des Halbleiterkörpers (1) angeordnet ist.
Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der photonische Kristall (7) in vertikaler Richtung von der Strahlungsauskoppelfläche (21) begrenzt ist.
Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der photonische Kristall (7) eine Mehrzahl von ersten Bereichen (7a) mit einem ersten Brechungsindex und eine Mehrzahl von zweiten Bereichen (7b) mit einem zweiten Brechungsindex aufweist.
Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) nach Anspruch 4, wobei die Bereiche (7a, 7b) regelmäßig angeordnet sind.
Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Bereiche (7a, 7b) ein eindimensionales, zweidimensionales oder dreidimensionales Gitter bilden.
Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand (d) zwischen der aktiven Schicht (4) und der Reflexionsschicht (6) derart eingestellt ist, dass eine von der aktiven Schicht (4) in Richtung der Strahlungsauskoppelfläche (21) ausgesandte Strahlung (10) mit einer von der Reflexionsschicht (6) reflektierten Strahlung (11) interferiert und eine Abstrahlcharakteristik mit mindestens einer Vorzugsrichtung erzielt wird.
Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Halbleiterschicht (5) zwischen der Reflexionsschicht (6) und der aktiven Schicht (4) angeordnet ist.
Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) eine Entspiegelungsstruktur aufweist.
Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) nach Anspruch 9, wobei die Entspiegelungsstruktur Strukturelemente (13) aufweist, deren laterale Abmessung kleiner als die Wellenlänge der vom Halbleiterkörper (1) emittierten Strahlung ist.
Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Halbleiterschicht (3) die Strahlungsauskoppelfläche (21) aufweist.
Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Reflexionsschicht (6, 14) eine Metallschicht ist.
Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand (d) zwischen der Reflexionsschicht (6) und der aktiven Schicht (4) gleich der Dicke der ersten Halbleiterschicht (5) ist.
Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand (d) zwischen der Reflexionsschicht (6) und der aktiven Schicht (4) kleiner als 2λ ist, wobei λ die Wellenlänge der Strahlung im Halbleiterkörper (1) ist.
Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterkörper GaN oder mindestens eine GaN-Verbindung enthält.
Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem der Reflexionsschicht (6) zugewandten Träger (9), der kein Aufwachssubstrat für den Halbleiterkörper (1) ist.
Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) nach Anspruch 16, wobei zwischen der Reflexionsschicht (6) und dem Träger (9) mindestens eine Haftvermittlungsschicht (8) vorgesehen ist.
Dünnfilm-Halbleiterkörper (1) nach Anspruch 16 oder 17, wobei der Träger (9) elektrisch leitend ist und die erste Halbleiterschicht (5) durch diesen kontaktiert ist.