DE10291889B4

DE10291889B4 - Halbleiterchip für die Optoelektronik

Info

Publication number: DE10291889B4
Application number: DE10291889T
Authority: DE
Inventors: Dr. Wirth Ralph
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2013-02-21
Anticipated expiration: 2022-04-27
Also published as: JP2004524710A; DE10291889D2; US20040195641A1; US7145181B2; WO2002089217A3; TW541725B; WO2002089217A2; DE10120703A1

Abstract

Halbleiterchip für die Optoelektronik mit einem Substrat (2), auf dem eine Halbleiterschichtfolge (3) mit einer Photonen emittierenden aktiven Zone (5) und mit einer nachfolgenden Fensterschicht (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Fensterschicht (6) in einem Bereich so strukturiert ist, dass – eine imaginäre Linse (7) in Gestalt einer Halbkugel mit einem Mittelpunkt, der auf die aktive Zone (5) zentriert ist, angenommen wird und – der strukturierte Bereich der Fensterschicht sich konstruktiv durch abschnittsweise Zentralprojektion von Oberflächenbereichen der imaginären Linse (7) auf deren Mittelpunkt ergibt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterchip für die Optoelektronik mit einem Substrat, auf dem eine Halbleiterschichtenfolge mit einer Photonen emittierenden, aktiven Zone und mit einer nachfolgenden Fensterschicht angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterchips für die Optoelektronik, bei dem zunächst auf ein Substrat eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone und einer nachfolgenden Fensterschicht aufgebracht wird.
Aus der EP 0 551 001 A1 sind ein derartiger Halbleiterchip und ein derartiges Verfahren zu seiner Herstellung bekannt. Der bekannte Halbleiterchip weist einen auf einem Substrat ausgebildeten, Licht erzeugenden Bereich auf, auf dem sich eine dicke Fensterschicht befindet. Die Dicke der Fensterschicht ist so bemessen, daß ein an der Oberseite der Fensterschicht totalreflektierter Lichtstrahl durch eine Seitenfläche der Fensterschicht gelangen bzw. austreten kann.
Ein Nachteil des bekannten Halbleiterchips ist die große Dicke der Fensterschicht, da Schichten großer Dicke epitaktisch nur schwer herzustellen sind. Außerdem weist die bekannte Fensterschicht nur dann einen hohen Auskopplungswirkungsgrad auf, wenn der kritische Winkel nicht allzu groß ist. Die Halbleiterchips für die Optoelektronik weisen jedoch typischerweise Halbleitermaterial mit einem Brechungsindex von n = 3,5 auf. Das am Halbleitermaterial anliegende Substrat weist üblicherweise einen Brechungsindex von n = 1,5 auf. In diesem Fall liegt der kritische Winkel für die Totalreflexion bei etwa 26°. Dies führt dazu, daß bei würfelförmigen Halbleiterchips typischerweise nur etwa 4% der erzeugten Photonen aus dem Halbleiterchip auskoppeln.
In der DE 199 11 717 A1 ist daher vorgeschlagen worden, über den Halbleiterchip hinweg verteilt eine Vielzahl von aktiven Zonen vorzusehen, über denen jeweils ein halbkugelförmiges Strahlungsauskoppelelement angeordnet ist. Dieser Halbleiterchip bietet den Vorteil, daß die Strahlungsauskoppelelemente die für die Auskopplung am besten geeignete Idealform, nämlich die einer Weierstrass'schen Kugel, aufweisen. Außerdem wird für die Schicht, aus der die halbkugelförmigen Strahlungsauskoppelelemente hergestellt werden, keine allzu große Dicke benötigt.
Nachteilig ist jedoch bei dem bekannten Halbleiterchip, daß die Kontaktierung der aktiven Zonen verhältnismäßig aufwendig ist, da die Kontaktierung seitlich an den halbkugelförmigen Strahlungskoppelelementen erfolgt.
Aus der US 5 087 949 A ist schließlich ein Halbleiterchip bekannt, bei dem das Substrat selbst die Funktion einer Fensterschicht hat. Das Substrat weist seitlich abgeschrägte Seitenflächen auf, so daß ein von einer aktiven Zone ausgehender Lichtstrahl möglichst unter einem Einfallswinkel auf die Seitenfläche auftritt, der kleiner als der kritische Winkel für die Totalreflexion ist. Diese Lösung ist jedoch nicht in jedem Fall anwendbar, da häufig keine geeigneten Substrate verfügbar sind.
Die Druckschrift JP 2001-28 456 A beschreibt ein halbleitendes, lichtemittierendes Bauelement, bei dem eine Halbleiterschicht über einer aktiven Schicht Fresnel-Linsen-artig durch Übertragung einer Maske mittels Ionenätzen strukturiert wird, wodurch eine Fresnel-Linse mit ringförmigen Bereichen gebildet wird.
In den Druckschriften JP 02-119 275 A , JP 01-042 870 A und DE 27 27 508 A1 sind ebenfalls Licht emittierende Dioden mit jeweils einer Licht auskoppelnde Schicht gezeigt, die als Fresnel-Linse strukturiert ist.
In der Druckschrift DE 199 11 717 A1 ist ein monolithisches elektrolumineszierendes Bauelement, insbesondere ein LED-Chip, beschrieben, das eine aktive Schichtenfolge mit einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Emissionszonen aufweist, von denen jeder ein Strahlungsauskoppelelement zugeordnet ist.
Die Druckschrift DE 197 09 228 A1 beschreibt ein Licht emittierendes Bauelement, das eine periodisch strukturierte Oberfläche zur Erhöhung der Lichtextraktion aufweist.
Die Druckschrift DE 27 55 433 A1 beschreibt eine strahlungsemittierende Halbleiterdiode, die in einer Halbleiteroberfläche einen Graben aufweist, der einen pn-Übergang begrenzt und der durch einen Steg für eine Leitbahn auf dem Steg unterbrochen ist, wobei die Leitbahn eine Verbindung herstellt zwischen einer Elektrode, die sich innerhalb des vom Graben umschlossenen Bereichs auf der Halbleiteroberfläche befindet, und einer Anschlussfläche, die sich außerhalb des vom Graben umschlossenen Bereichs befindet.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterchip mit einem möglichst hohen Auskopplungswirkungsgrad zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Halbleiterchip mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
Durch die Ausbildung der über der aktiven Zone angeordneten strukturierten Fensterschicht kann die Dicke der Fensterschicht verhältnismäßig klein gehalten werden. Trotz der geringen Höhe der gestuft strukturierten Fensterschicht kann diese die Funktion einer Linse mit beliebigem Querschnittsprofil, also auch einer für die Auskopplung idealen Halbkugellinse erfüllen, insbesondere hinsichtlich der Winkel, in denen die von der aktiven Zone ausgesandten Strahlen auf die Grenzfläche zwischen der Fensterschicht und dem umgebenden Medium treffen. Trotz der geringen Bauhöhe sind daher bei dem Halbleiterchip gemäß der Erfindung hohe Auskopplungswirkungsgrade zu erwarten.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung des mit einer erfindungsgemäßen Fensterschicht versehenen Halbleiterchips anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Herstellungsverfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 11 mit den folgenden Verfahrensschritten gelöst:

– Aufbringen einer Photolackschicht auf der Fensterschicht,
– Belichten der Photolackschicht mit Hilfe einer Graustufenmaske,
– Entwickeln der Photolackschicht zur Ausbildung einer strukturierten Oberfläche in der Photolackschicht, und
– Übertragen der Oberflächenstruktur der Photolackschicht mit Hilfe eines anisotropen Ätzvorgangs auf die darunterliegende Fensterschicht.

Durch das Belichten der Photolackschicht mit einer Graustufenmaske lassen sich Photolackstrukturen mit abgeschrägten Flanken erzeugen. Mit Hilfe dieser Belichtungstechnik ist es möglich, auf einer Fensterschicht eine Photolackschicht mit der strukturierten Oberflächenach Art einer Fresnel-Linse zu erzeugen und diese auf die darunterliegende Fensterschicht mit Hilfe eines anisotropen Ätzverfahrens zu übertragen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 eine Querschnittsansicht durch einen Halbleiterchip für die Optoelektronik mit einer einer aktiven Zone nachgeordneten strukturierten Fensterschicht nach Art einer Fresnel-Linse;
2 eine Aufsicht auf einen Halbleiterchip mit zentraler Kontaktfläche;
3 einen Querschnitt durch den Halbleiterchip aus 2;
4 eine Aufsicht auf einen Halbleiterchip mit seitlich angeordneter Kontaktfläche; und
5 einen Querschnitt durch den Halbleiterchip aus 4.
1 zeigt einen Querschnitt durch einen Halbleiterchip 1, der ein Substrat 2 aufweist, auf dem eine Halbleiterschichtenfolge 3 mit einer aktiven Schicht 4 aufgebracht ist. Bei dem in 1 dargestellten Halbleiterchip handelt es sich um einen Halbleiterchip für eine Leuchtdiode. Durch in 1 nicht dargestellte geeignete Blenden oder durch die Abmessung der in 1 ebenfalls nicht dargestellten Kontaktstellen ist der Photonen emittierende Bereich der aktiven Schicht 4 auf eine aktive Zone 5 mit einem Durchmesser d_A beschränkt.
Oberhalb der aktiven Zone 5 befindet sich eine Fensterschicht 6. Die Fensterschicht 6 weist die Gestalt einer gestuften, fresnellinsenartig strukturierten Fensterschicht auf. Im Idealfall hat die strukturierte Fensterschicht nach Art einer Fresnel-Linse hinsichtlich der Strahlungsauskopplung die Funktion einer halbkugelförmigen, auf die aktive Zone 5 zentrierten Linse 7. Unter dem Begriff der zentrierten Linse soll in diesem Zusammenhang verstanden werden, daß die optische Hauptachse der Linse durch den Mittelpunkt der aktiven Zone 5 verläuft. Das Querschnittsprofil dieser gedachten bzw. imaginären Linse ist in 1 durch eine gestrichelte Linie angedeutet.
Nach Weierstrass können sämtliche Photonen, die in der aktiven Zone 5 erzeugt werden, die imaginäre Linse 7 und damit im Idealfall die Fensterschicht 6 verlassen, wenn gilt: d_A < d_H × n_M/n_H wobei d_H und n_H jeweils der Durchmesser und der Brechungsindex der imaginären Linse 7 bzw. der Fensterschicht 6 und n_M der Brechungsindex des an der Linse 7 bzw. der Fensterschicht 6 anliegenden Mediums sind. Der Durchmesser d_A der aktiven Zone 5 muß also kleiner dem im Verhältnis des Brechungsindex n_M des umgebenden Materials zum Brechungsindex n_H des Materials der Linse 7 verringerten Durchmesser d_H der Linse 7 sein. Um von der imaginären Linse 7 zur strukturierten Fensterschicht 6 zu gelangen, kann das Qurschnittsprofil der imaginären Linse 7 mit Hilfe einer auf den Mittelpunkt der aktiven Zone 5 zentrierten Zentralprojektion in den Bereich der Fensterschicht projiziert werden. Die Projektionen der Stufen der Fensterschicht auf die aktive Schicht 4 können dabei im Querschnitt im wesentlichen äquidistant sein. Es können auch zur geometrischen Konstruktion der einer gegenüber der imaginären Linse 7 dünnen Fensterschicht 6 ausgefüllte Zwischenräume zwischen jeweils zwei Kegelmänteln, deren Scheitel auf derselben Stelle innerhalb der aktiven Zone liegen und die einer Halbkugel des Durchmessers d_H einbeschrieben sind, abschnittsweise in Richtung des Halbkugelmittelpunkts projiziert werden. Zweckmäßigerweise werden dabei die Kreissegmente des Querschnittsprofils der Linse 7 durch Dreiecke angenähert, deren Länge mit wachsender Steigung gegenüber der aktiven Schicht abnimmt, so daß im wesentlichen eine Fensterschicht 6 entsteht, die abgesehen von der (mikroskopischen) Oberflächenstruktur makroskopisch eine ebene Oberfläche besitzt. Die sich ergebende Fensterschicht 6 mit dem Querschnitt eines Polygons hat dann weitgehend hinsichtlich der Strahlungsauskopplung der in der aktiven Schicht 5 erzeugten Strahlung die Funktion einer Halbkugel 7.
In 2 und 3 sind eine Aufsicht und ein Querschnitt durch einen gemäß 1 gestalteten Halbleiterchip dargestellt. Bei dem in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Leuchtdiode 8, auf deren Fensterschicht 6 eine zentrale Kontaktstelle 9 ausgebildet ist.
Um die Effizienz der Leuchtdiode 8 zu schätzen, wurden strahlenoptische Berechnungen (Raytracing) durchgeführt. Dabei ergaben sich für den Auskopplungswirkungsgrad Werte zwischen 20 und 40%, wenn dem Substrat 2 eine nicht vernachlässigbare Absorption zugewiesen wurde. Unter Auskoppelwirkungsgrad wird dabei das Verhältnis von der Anzahl der in der aktiven Zone 5 erzeugten Photonen zu der Anzahl der die Leuchtdiode 8 verlassenden Photonen verstanden. Falls sämtliche erzeugten Photonen die Leuchtdiode 8 verlassen können, hätte dies einen Auskoppelwirkungsgrad von 100% zur Folge. Die Gründe für den reduzierten Auskoppelwirkungsgrad sind zum einen, daß die in die untere Halbkugel emittierten Photonen im Substrat 2 absorbiert werden. Der maximal erreichbare Auskopplungswirkungsgrad beträgt daher 50%. Außerdem werden die unmittelbar nach oben emittierten Photonen von der Kontaktstelle 9 abgeschattet. Ferner macht sich bemerkbar, daß die Kreissegmente, die im Idealfall die Fensterschicht 6 bilden, Dreiecken angenähert sind. Dieser Effekt macht sich insbesondere bei den innenliegenden Ringen 10 der Fensterschicht 6 bemerkbar. Außerdem ist für die innenliegenden Ringe 10 die Weierstrass'sche Bedingung nicht mehr in bezug auf die gesamte aktive Zone 5 erfüllt, da die aktive Zone 5 nicht kugelförmig ausgebildet ist und je nach Abstrahlrichtung einen anderen effektiven Durchmesser d_A aufweist, der sich dadurch ergibt, daß die aktive Zone 5 auf eine zur Abstrahlrichtung rechtwinklige Ebene projiziert wird. Für die innenliegenden Ringe 10 ist der effektive Durchmesser aber besonders groß, so daß die, Weierstrass'sche Bedingung nicht für die gesamte aktive Zone 5 erfüllt ist.
Der Auskopplungswirkungsgrad der Leuchtdiode 8 läßt sich wirksam steigern, indem zwischen dem absorbierenden Substrat 2 und der aktiven Schicht 4 eine Spiegelschicht angebracht wird. Diese Spiegelschicht kann beispielsweise ein epitaktisch gewachsener Vielschichtspiegel sein. Eine derartige Spiegelschicht kann allerdings nur in einem bestimmten Winkelbereich effektiv reflektieren. In diesem Fall ist es von Vorteil, wenn der Winkelbereich mit hohem Reflexionsgrad in den Bereich der flach laufenden Lichtstrahlen gelegt wird. Durch die Spiegelschicht wird die Fensterschicht 6 gewissermaßen virtuell nach unten geklappt, so daß auch die in die untere Halbkugel emittierten Photonen die Leuchtdiode 8 durch die Fensterschicht 6 verlassen können. Besonders hohe Auskopplungswirkungsgrade ergeben sich, wenn für die Spiegelschicht eine Metallschicht verwendet wird. In diesem Fall können Auskopplungsgrade bis zu 80% erreicht werden.
Weiterhin läßt sich der Auskopplungswirkungsgrad verbessern, indem die Kontaktstelle 9, wie in 4 und 5 dargestellt, seitlich neben der Fensterschicht 6 angeordnet wird. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Strom durch eine Kontaktbrücke 11 zur Mitte der Fensterschicht 6 geführt. Bei der Kontaktbrücke 11 handelt es sich vorzugsweise um einen unstrukturierten Bereich der Fensterschicht 6. Bei der Herstellung der Kontaktbrücke 11 ist sicherzustellen, daß ein elektrischer Kontakt zum Halbleiter und damit auch die Strominjektion nur in der Mitte der Fensterschicht 6 stattfindet. Dies kann beispielsweise durch eine isolierende zwischenschicht zwischen der Metallschicht der Kontaktbrücke 11 und dem Halbleitermaterial der Fensterschicht 6 in den Bereichen, in denen die Strominjektion unterbunden werden soll, erreicht werden. Zur Strukturierung der Fensterschicht 6 sei angemerkt, daß dies insbesondere durch die Verwendung von Graustufenmasken möglich ist. Zu diesem Zweck wird auf die Fensterschicht 6 nach dem Abscheidevorgang eine Photolackschicht aufgebracht und diese mit Hilfe einer Graustufenmaske entsprechend der Oberflächenstruktur der Fensterschicht 6 belichtet. Beim Entwickeln der Photolackschicht entsteht eine Oberflächenstruktur, die der Oberflächenstruktur der fertigen Fensterschicht 6 entspricht. Anschließend kann durch ein anisotropes Ätzverfahren die so strukturierte Photolackschicht in die Fensterschicht 6 übertragen werden. Für diesen Ätzvorgang kommt insbesondere reaktives Ionenätzen (RIE) in Frage.

Claims

Halbleiterchip für die Optoelektronik mit einem Substrat (2), auf dem eine Halbleiterschichtfolge (3) mit einer Photonen emittierenden aktiven Zone (5) und mit einer nachfolgenden Fensterschicht (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Fensterschicht (6) in einem Bereich so strukturiert ist, dass – eine imaginäre Linse (7) in Gestalt einer Halbkugel mit einem Mittelpunkt, der auf die aktive Zone (5) zentriert ist, angenommen wird und – der strukturierte Bereich der Fensterschicht sich konstruktiv durch abschnittsweise Zentralprojektion von Oberflächenbereichen der imaginären Linse (7) auf deren Mittelpunkt ergibt.
Halbleiterchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der aktiven Zone (5) ausgesandte Strahlung in dem Bereich auf Grenzflächen von der Fensterschicht ⁽ 6 ⁾ zum umgebenden Medium trifft, die gegen die aktive Zone (5) geneigt sind.
Halbleiterchip nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den Durchmesser d_A der aktiven Zone gilt: d_A < d_H × n_M/n_H wobei d_H der Durchmesser der imaginären Halbkugel (7), n_H der Brechungsindex der Fensterschicht (6) und n_M der Brechungsindex des an die Fensterschicht (6) angrenzenden Mediums sind.
Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der strukturierte Bereich der Fensterschicht (6) im Querschnitt an ein Polygon angenähert ist.
Halbleiterchip nach einem. der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass. der strukturierte Bereich der Fensterschicht (6) Stufen aufweist, die im wesentlichen äquidistant sind.
Halbleiterschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fensterschicht (6) makroskopisch eine ebene Oberfläche besitzt.
Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterchip eine zentrale, oberhalb der aktiven Zone (5) angeordnete Kontaktstelle aufweist.
Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterchip eine Kontaktstelle (9) außerhalb der Fensterschicht (6) aufweist.
Halbleiterchip nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß von der Kontaktstelle (9) ein Kontaktsteg (11) zu der aktiven Zone führt.
Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der aktiven Zone (5) und dem Substrat (2) eine reflektierende Schicht angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterchips für die Optoelektronik, bei dem zunächst auf ein Substrat (2) eine Halbleiterschicht (3) mit einer aktiven Zone (5) und einer nachfolgenden Fensterschicht (6) aufgebracht wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte zur Ausbildung einer in einem Bereich strukturierten Oberfläche der Fensterschicht (6) derart, dass – eine imaginäre Linse (7) in Gestalt einer Halbkugel mit einem Mittelpunkt, der auf die aktive Zone (5) zentriert ist, angenommen wird und – der strukturierte Bereich der Fensterschicht sich konstruktiv durch abschnittsweise Zentralprojektion von Oberflächenbereichen der imaginären Linse (7) auf deren Mittelpunkt ergibt: – Aufbringen einer Photolackschicht auf der Fensterschicht (6) – Belichten der Photolackschicht mit Hilfe einer Graustufenmaske, – Entwickeln der Photolackschicht zur Ausbildung einer gestuften Oberflächenstruktur in der Photolackschicht, und – Übertragen der Oberflächenstruktur der Photolackschicht mit Hilfe eines anisotropen Ätzvorgangs auf die darunter liegende Fensterschicht (6).