DE10245632A1

DE10245632A1 - Elektromagnetische Strahlung emittierendes Bauelement und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10245632A1
Application number: DE10245632A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dr. Stein; Ralph Dr. Wirth
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2022-10-01
Also published as: DE10245632B4

Abstract

Elektromagnetische Strahlung emittierendes Bauelement (1) mit einer Schichtfolge (2), die eine eine elektromagnetische Strahlung erzeugende aktive Schicht (4) aufweist, die aktive Schicht (4) zwischen einer ersten Schicht (3) eines ersten Leitungstyps und einer zweiten Schicht (5) eines zweiten Leitungstyps angeordnet ist, und der zweiten Schicht (5), gesehen von der aktiven Schicht (4), eine Strahlungsauskoppelschicht (6) mit dreidimensionalen Strahlungsauskoppelstrukturen (60) nachgeordnet ist. Zwischen der aktiven Schicht (4) und den Strahlungsauskoppelstrukturen (60) ist eine Spiegelschicht (7) angeordnet, die eine Mehrzahl von Strahlungsfenstern (71) aufweist, durch die in der aktiven Schicht (4) erzeugte elektromagnetische Strahlung in die Strahlungsauskoppelschicht (6) gelangt. Die Spiegelschicht (7) reflektiert zumindest einen Teil derjenigen elektromagnetischen Strahlung, welcher von den Strahlungsauskoppelstrukturen (60) in das Bauelement (1) zurück reflektiert wird, wieder zu den Strahlungsauskoppelstrukturen (60) hin, bevor sie wieder in die aktive Schicht (4) eindringen würde.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromagnetische Strahlung emittierendes Bauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und auf ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Bauelement zu schaffen, dessen Auskopplung des im Bauelement erzeugten Lichtes verbessert ist. Es soll ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauelements angegeben werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Ein Verfahren zu dessen Herstellung ist in Anspruch 14 angegeben. Bevorzugte Weiterbildungen des Bauelements und des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 13 und 15 bis 21 angegeben.

Die Erfindung eignet sich besonders bevorzugt für Bauelemente auf Basis von Phosphid-III-V-Verbindungshalbleitermaterial und hier insbesondere für solche, die im gelben Spektralbereich emittieren. Hierunter fallen vorliegend insbesondere solche Chips, bei denen die epitaktisch hergestellte Halbleiterschicht, die in der Regel eine Schichtfolge aus unterschiedlichen Einzelschichten aufweist, mindestens eine Einzelschicht enthält, die ein Material aus dem Phosphid-III-V-Verbindungshalbleitermaterial-System In_xAl_yGal_1–x–yP mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweist. Die aktive Schicht kann hierbei beispielsweise einen herkömmlichen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopfstruktur (SQW-Struktur) oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW-Strukur) aufweisen.

Die erste Halbleiterschicht eines ersten Leitungstyps kann eine einzelne Schicht oder eine mehrere Schichten aufweisende Schichtenfolge sein. Das gleiche gilt für die zweite Halbleiterschicht eines zweiten Leitungstyps.

Unter lateral ist im vorliegenden Zusammenhang lateral in Bezug auf die Schichtebenen der Halbleiterschichtfolge zu verstehen.

Bei der erfindungsgemäßen Struktur eines Bauelements wird die in den Strahlungserzeugungszonen erzeugte Strahlung von dort isotrop ausgesandt. Der Teil der Strahlung, der nach Vorne ausgesandt wird, passiert zu einem großen Teil die partielle Spiegelschicht und wird dann entweder ausgekoppelt oder unter einem anderen Winkel von der Auskoppelstruktur reflektiert. Durch die partielle Spiegelschicht wird zumindest ein großer Teil dieser reflektierten Strahlung einfach oder mehrfach in der Strahlungsauskoppelschicht reflektiert, so dass die Auskoppelwahrscheinlichkeit, vor allem bei Strahlung im gelben Spektralbereich steigt. Bei gelbes Licht emittierenden Halbleiterchips wird gegenüber herkömmlichen Strukturen mit den erfindungsgemäßen Strukturen nahezu eine Verdoppelung der Helligkeit erreicht.

Besondere Vorteile, Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1 bis 3 erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispieles;
2 eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispieles, und
3 eine schematische Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispieles.
Gleiche und gleichwirkende Bestandteile der verschiedenen Ausführungsbeispiele sind jeweils mit den gleichen Bezugszei chen versehen. Zu den Ausführungsbeispielen gemäß den 2 und 3 werden nur die Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß 1 erläutert.
Bei dem Bauelement von 1 weist eine Schichtfolge 2 auf einem GaAs-Substrat 10, an dessen von der Schichtfolge 2 abgewandten Seite eine Kontaktschicht 11 angeordnet ist, eine eine elektromagnetische Strahlung erzeugende aktive Schicht 4 auf, die zwischen einer ersten Schicht 3 eines ersten Leitungstyps und einer zweiten Schicht 5 eines zweiten Leitungstyps angeordnet ist. Der zweiten Halbleiterschicht 5 ist gesehen von der aktiven Schicht 4 eine Strahlungsauskoppelschicht 6 mit dreidimensionalen Strahlungsauskoppelstrukturen 60 nachgeordnet. Die Strahlungsauskoppelstrukturen können alternativ in einer eigens dazu auf der Strahlungsauskoppelschicht 6 aufgebrachten Schicht 61 ausgebildet sein (2). In beiden Fällen sind sie beispielsweise mittels Ätzen oder mechanischem Bearbeiten, wie Sägen oder Schleifen, hergestellt.
Die erste Schicht 3 ist beispielsweise eine n-InGaAlP-Confinementschicht und die zweite Schicht 5 ist beispielsweise eine p-InGaAlP-Confinementschicht. Die aktive Schicht ist beispielsweise eine auf InGaAlP basierende Mehrfach-Quantentopfstruktur, die Licht aus dem gelben Spektralbereich erzeugt. Solche Strukturen sind dem Fachmann bekannt und werden von daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Die Strahlungsauskoppelschicht besteht beispielsweise aus GaP oder zu einem wesentlichen Bestandteil aus GaP.
Zwischen der aktiven Schicht 4 und den Strahlungsauskoppelstrukturen 60 ist eine Spiegelschicht 7 angeordnet, die eine Mehrzahl von Strahlungsfenstern 71 aufweist, durch die in der aktiven Schicht 4 erzeugte elektromagnetische Strahlung in die Strahlungsauskoppelschicht 6 gelangt. Die Spiegelschicht 7 reflektiert zumindest einen Teil derjenigen elektromagneti schen Strahlung, welche von den Strahlungsauskoppelstrukturen 60 in den Halbleiterchip 1 zurück reflektiert wird, wieder zu den Strahlungsauskoppelstrukturen 60 hin, bevor sie wieder in die aktive Schicht 4 eindringen würde.
Die aktive Schicht 4 weist eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten Strahlungserzeugungszonen 41 auf, denen jeweils mindestens ein Strahlungsfenster 71 zugeordnet ist, das mit der zugehörigen Strahlungserzeugungszone 41 überlappt.
Wie bei dem Ausführunsbeispiel von 1 zu erkennen ist jedem Strahlungsfenster 71 eine einzige Strahlungserzeugungszone 41 zugeordnet, deren laterale Ausdehnung im Wesentlichen auf das zugehörige Strahlungsfenster 71 begrenzt ist.
Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist jedem Strahlungsfenster 71 eine einzige Strahlungserzeugungszone 41 zugeordnet, deren laterale Ausdehnung kleiner ist als die des zugeordneten Strahlungsfensters 71.
Vorzugsweise sind die Ränder der Strahlungsfenster 71 jeweils gegenüber den Rändern der Strahlungserzeugungszonen 41 in lateraler Richtung zurückgezogen sind, derart, dass die Strahlungserzeugungszonen 41 jeweils kleiner sind als das jeweils zugeordnete Strahlungsfenster 71.
Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass vor dem Aufbringen der Spiegelschicht 7 eine elektrisch leitend dotierte Schicht aufgebracht wird, deren elektrische Leitfähigkeit zur Ausbildung einer Stromblendenschicht 8 außerhalb von vorgesehenen Stromfenstern 81 beispielsweise mittels Ionenimplantation zerstört wird.
Bei einer anderen Vorgehensweise wird vor dem Aufbringen der Spiegelschicht 7 eine elektrisch nicht leitende Schicht, insbesondere eine undotierte Halbleiterschicht aufgebracht, die zur Ausbildung der Stromblendenschicht 8 im Bereich der vor gesehenen Stromfenster 81 entfernt wird. In die entfernten Bereichen reicht dann die elektrisch leitende Auskoppelschicht 6 hinein. Man vergleiche hierzu die 3.
Die Stromblendenschichten können alternativ auch auf der von der aktiven Schicht 4 abgewandten Seite der Spiegelschicht angeordnet sein. Die erstgenannte Alternative ist aber die bevorzugte Lösung.
Bei einer anderen Alternative ist die Spiegelschicht 7 vertikal zur Spiegelschichtebene im Wesentlichen elektrisch isolierend oder zumindest schlecht elektrisch leitend, so dass die Strahlungsfenster 71 gleichzeitig als Stromfenster wirken und die Strahlungserzeugungszonen 41 definieren. Man vergleiche 1.
Die Spiegelschicht 7 besteht in allen Fällen beispielsweise aus Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid.
Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterchips gemäß 1 wird nach einem epitaktischen Aufwachsen der ersten Schicht 3, der aktiven Schicht 4 und der zweiten Schicht 5 mittels MOVPE die Spiegelschicht 7 aufgebracht. Letzteres erfoglt beispielsweise mittels chemischer Dampfphasenabscheidung(CVD = Chemical Vapor Deposition) oder mittels Plasmaabscheidung (PVD = Plasma Vapor Deposition), Fototechnik und Naß- und/oder Trockenchemie. Nachfolgend wird vorzugsweise mittels MOVPE oder auch mittels eines anderen geeigneten Verfahrens die Strahlungsauskoppelschicht 6 mit dreidimensionalen Strahlungsauskoppelstrukturen 60 aufgebracht. Die Spiegelschicht ist hierbei beispielsweise eine partielle Siliziumoxidschicht und/oder Siliziumnitridschicht. Sie kann auch eine mit Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid beschichteter partieller Metallspiegel sein. Der Bedeckungsgrad ist vorzugsweise bei ca. 80%.
Die Erfindung ist nicht auf Halbleiterchips eingeschränkt, sondern läßt sich überall dort vorteilhafte einsetzen, wo Licht ausgekoppelt werden muß und die oben dargelegten Probleme vorliegen. Denkbar ist beispielsweise der Einsatz auch bei organischen Leuchtdioden-Bauelementen.

Claims

Elektromagnetische Strahlung emittierendes Bauelement (1) mit einer Schichtfolge (2), – die eine eine elektromagnetische Strahlung erzeugende aktive Schicht (4) aufweist, – die aktive Schicht (4) zwischen einer ersten Schicht (3) eines ersten Leitungstyps und einer zweiten Schicht (5) eines zweiten Leitungstyps angeordnet ist, und – der zweiten Schicht (5) gesehen von der aktiven Schicht (4) eine Strahlungsauskoppelschicht (6) mit dreidimensionalen Strahlungsauskoppelstrukturen (60) nachgeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – zwischen der aktiven Schicht (4) und den Strahlungsauskoppelstrukturen (60) eine Spiegelschicht (7) angeordnet ist, – die Spiegelschicht (7) eine Mehrzahl von Strahlungsfenstern (71) aufweist, durch die in der aktiven Schicht (4) erzeugte elektromagnetische Strahlung in die Strahlungsauskoppelschicht (6) gelangt, – die Spiegelschicht (7) zumindest einen Teil derjenigen elektromagnetischen Strahlung, welche von den Strahlungsauskoppelstrukturen (60) in das Bauelement (1) zurück reflektiert wird, wieder zu den Strahlungsauskoppelstrukturen (60) hin reflektiert, bevor er wieder in die aktive Schicht (4) eindringen würde.
Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (4) eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten Strahlungserzeugungszonen (41) aufweist, denen jeweils mindestens ein Strahlungsfenster (71) zugeordnet ist, das mit der zugehörigen Strahlungserzeugungszone (41) überlappt.
Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Strahlungsfenster (71) eine einzige Strahlungserzeu gungszone (41) zugeordnet ist, deren laterale Ausdehnung im Wesentlichen auf das zugehörige Strahlungsfenster (71) begrenzt ist.
Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Strahlungsfenster (71) eine einzige Strahlungserzeugungszone (41) zugeordnet ist, deren laterale Ausdehnung kleiner ist als die des zugeordneten Strahlungsfensters (71).
Hableiterchip nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder der Strahlungsfenster (71) jeweils gegenüber den Rändern der Strahlungserzeugungszonen (41) in lateraler Richtung zurückgezogen sind, derart, dass die Strahlungserzeugungszonen (41) jeweils kleiner sind als das jeweils zugeordnete Strahlungsfenster (71).
Bauelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelschicht (7) vertikal zur Spiegelschichtebene im Wesentlichen elektrisch isolierend oder zumindest schlecht elektrisch leitend ist, derart, dass die Strahlungsfenster (71) gleichzeitig als Stromfenster (73) wirken und die Strahlungserzeugungszonen (41) definieren.
Bauelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelschicht (7) Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid, insbesondere eine Siliziumoxidschicht und/oder eine Siliziumnitridschcht aufweist.
Bauelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelschicht (7) eine Stromblendenschicht (8) aufweist oder zwischen der Spiegelschicht (7) und der aktiven Schicht (4) eine Stromblendenschicht (8) angeordnet ist, die elek trisch isolierend oder schlecht elektrisch leitend ist und in den Bereichen der Stromfenster (81) eine demgegenüber erhöhte elektrische Leitfähigkeit oder Aussparungen aufweist.
Bauelement nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (4) eine auf Phophid-III-V-Verbindungshalbleitermaterial basierende Schicht aufweist.
Bauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (4) eine auf InGaP, AlGaP oder InGaAlP basierende Schicht aufweist.
Bauelement nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (4) Licht aus dem gelben Spektralbereich aussendet.
Verfahren zum Herstellen eines Bauelements nach Anspruch 10 oder 11, bei dem nach einem epitaktischen Aufwachsen der ersten Schicht (3), der aktiven Schicht (4) und der zweiten Schicht (5) die Spiegelschicht (7) aufgebracht wird und nachfolgend mittels Epitaxie die Strahlungsauskoppelschicht (6) mit dreidimensionalen Strahlungsauskoppelstrukturen (60) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Spiegelschicht (7) mittels chemischer Dampfphasenabscheidung (CVD = Chemical Vapor Deposition) oder mittels Plasmaabscheidung (PVD = Plasma Vapor Deposition), Fototechnik und Naß- und/oder Trokkenchemie hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem die Spiegelschicht eine partielle Siliziumoxidschicht und/oder Siliziumnitridschicht ist.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem die Spiegelschicht eine mit Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid beschichteter partieller Metallspiegel ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem die Fensterschicht einen Bedeckungsgrad kleiner oder gleich 80% aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16 unter Rückbezug auf einen der Ansprüche 9 bis 12, bei dem die Strahlungsauskoppelschicht aus GaP besteht oder zu einem wesentlichen Bestandteil aus GaP besteht.
Verfahren nach Anspruch 12 zur Herstellung eines Bauelements nach Anspruch 8 oder nach einem auf Anspruch 8 zurückbezogenen Anspruch, bei dem vor oder nach dem Aufbringen der Spiegelschicht eine elektrisch leitend dotierte Schicht aufgebracht wird, deren elektrische Leitfähigkeit zur Ausbildung der Stromblendenschicht außerhalb der vorgesehenen Stromfenster zerstört wird.
Verfahren nach Anspruch 12 zur Herstellung eines Bauelements nach Anspruch 8 oder nach einem auf Anspruch 8 zurückbezogenen Anspruch, bei dem vor oder nach dem Aufbringen der Spiegelschicht eine elektrisch nicht leitend Schicht, insbesondere eine undotierte Halbleiterschicht aufgebracht wird, die zur Ausbildung der Stromblendenschicht im Bereich der vorgesehenen Stromfenster entfernt wird.