WO2002089217A2 - Halbleiterchip für die optoelektronik - Google Patents

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WO2002089217A2
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layer
active zone
structured
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/20—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/36—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes
    • H01L33/38—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes with a particular shape

Definitions

  • the invention relates to a semiconductor chip for optoelectronics with a substrate on which a semiconductor layer sequence with a photon emitting active zone and with a subsequent window layer is arranged.
  • the invention further relates to a method for producing a semiconductor chip for optoelectronics, in which a semiconductor layer sequence with an active zone and a subsequent window layer is first applied to a substrate.
  • Such a semiconductor chip and a method for its production are known from EP 0 551 001 A1.
  • the known semiconductor chip has a light-generating region formed on a substrate, on which there is a thick window layer.
  • the thickness of the window layer is dimensioned such that a light beam totally reflected at the top of the window layer can pass through or exit through a side face of the window layer.
  • a disadvantage of the known semiconductor chip is the large thickness of the window layer, since layers of large thickness are difficult to produce epitaxially.
  • the known window layer has a high coupling-out efficiency only if the critical angle is not too large.
  • the critical angle for total reflection is about 26 °. This leads to the fact that in the case of cube-shaped semiconductor chips typically only about 4% of the photons generated couple out of the semiconductor chip.
  • a disadvantage of the known semiconductor chip is that the contacting of the active zones is relatively complex since the contacting takes place laterally on the hemispherical radiation coupling elements.
  • a semiconductor chip is known from US Pat. No. 5,087,949 A in which the substrate itself has the function of a window layer.
  • the substrate has laterally beveled side surfaces, so that a light beam emanating from an active zone occurs as possible on the side surface at an angle of incidence that is smaller than the critical angle for total reflection.
  • this solution is not applicable in every case, since often no suitable substrates are available.
  • the object of the invention is to create a semiconductor chip with the highest possible coupling efficiency.
  • the window layer is structured in a region in the manner of a Fresnel lens, so that radiation emitted by the active zone strikes interfaces in the region from the window layer to the surrounding medium, which are inclined towards the active zone ,
  • the thickness of the window layer can be kept relatively small by the formation of the structured window layer or the fresnel-like lens arranged above the active zone.
  • the fresnel-like lens or the layered structured window layer can perform the function of a lens with any cross-sectional profile, that is to say also a hemisphere lens that is ideal for decoupling, in particular with regard to the angles at which the rays emitted by the active zone onto the interface between the window layer and the surrounding medium.
  • a lens with any cross-sectional profile that is to say also a hemisphere lens that is ideal for decoupling, in particular with regard to the angles at which the rays emitted by the active zone onto the interface between the window layer and the surrounding medium.
  • the invention is also based on the object of specifying a method for producing the semiconductor chip provided with a window layer according to the invention.
  • this object is achieved by a production process with the following process steps:
  • photoresist structures with beveled flanks can be created.
  • this exposure technique it is possible to apply a photoresist layer with the structured surface like a Fresnel lens to a window layer generate and transfer this to the underlying window layer using an anisotropic etching process.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view through a semiconductor chip for optoelectronics with a structured window layer arranged after an active zone in the manner of a Fresnel lens;
  • FIG. 2 shows a top view of a semiconductor chip with a central contact area
  • FIG. 3 shows a cross section through the semiconductor chip from FIG. 2;
  • FIG. 4 shows a top view of a semiconductor chip with a laterally arranged contact area
  • FIG. 5 shows a cross section through the semiconductor chip from FIG. 4.
  • FIG. 1 shows a cross section through a semiconductor chip 1, which has a substrate 2, on which a semiconductor layer sequence 3 with an active layer 4 is applied.
  • the semiconductor chip shown in FIG. 1 is a semiconductor chip for a light-emitting diode.
  • the photon-emitting region of the active layer 4 is limited to an active zone 5 with a diameter d A.
  • a window layer 6 is located above the active zone 5.
  • the window layer 6 has the shape of a stepped, fresnel lens-like structured window layer.
  • the structured window layer in the manner of a Fresnel lens has the function of a hemispherical lens 7 centered on the active zone 5 with regard to the radiation coupling out.
  • the term centered lens in this context should be understood to mean that the main optical axis of the lens is defined by the The center of the active zone 5 runs.
  • the cross-sectional profile of this imaginary or imaginary lens is indicated in FIG. 1 by a dashed line.
  • d jj and n ⁇ are the diameter and the refractive index of the imaginary lens 7 and the window layer 6, respectively, and n ⁇ the refractive index of the medium applied to the lens 7 and the window layer 6, respectively.
  • the diameter d A of the active zone 5 must therefore be smaller than the diameter djj of the lens 7 which is reduced in the ratio of the refractive index n j v j of the surrounding material to the refractive index n ⁇ of the material of the lens 7.
  • the cross-sectional profile of the imaginary lens 7 can be projected into the region of the window layer with the aid of a central projection centered on the center of the active zone 5.
  • the projections of the steps of the window layer onto the active layer 4 can be essentially equidistant in cross section. It can also be used for the geometric construction of the spaces 6 filled in with respect to the imaginary lens 7 between two cone shells, the apex of which is at the same point within the active one Zone and which are inscribed in a hemisphere of diameter d ⁇ , are projected in sections towards the center of the hemisphere.
  • the circular segments of the cross-sectional profile of the lens 7 are expediently approximated by triangles, the length of which decreases with increasing gradient with respect to the active layer, so that essentially a window layer 6 is formed which, apart from the (microscopic) surface structure, has a macroscopically flat surface.
  • the resulting window layer 6 with the cross section of a polygon then largely functions as a hemisphere 7 with regard to the coupling out of radiation of the radiation generated in the active layer 5.
  • FIGS. 2 and 3 show a top view and a cross section through a semiconductor chip designed according to FIG. 1.
  • the exemplary embodiment shown in FIGS. 2 and 3 is a light-emitting diode 8, on the window layer 6 of which a central contact point 9 is formed.
  • Decoupling efficiency is understood to mean the ratio of the number of photons generated in the active zone 5 to the number of photons leaving the light-emitting diode 8. If all of the photons generated can leave the light-emitting diode 8, this would result in a coupling-out efficiency of 100%.
  • the reasons for the reduced coupling-out efficiency are, on the one hand, that the photons emitted into the lower hemisphere are absorbed in the substrate 2. The maximum achievable coupling efficiency is therefore 50%.
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Abstract

Ein Halbleiterchip, insbesondere eine Leuchtdiode, weist ein Substrat (2) auf, auf dem eine Halbleiterschichtenfolge (3) mit einer aktiven Zone (5) aufgebracht ist. Oberhalb der Halbleiterschichtenfolge (3) befindet sich eine gestufte, fresnellinsenartig strukturierte Fensterschicht (6), die hinsichtlich der Strahlungsauskopplung die Funktion einer Halbkugellinse (7) hat. Dadurch ergibt sich ein Halbleiterchip mit besonders hohem Auskoppelwirkungsgrad.

Description

Beschreibung
Halbleiterchip für die Optoelektronik
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 AI 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 AI 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 ' sehen 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.
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 dadurch gelöst, daß die Fensterschicht in einem Bereich nach Art einer Fresnel-Linse strukturiert ist, so daß von der aktiven Zone ausgesandte Strahlung in dem Bereich auf Grenzflächen von der Fensterschicht zum umgebendes Medium trifft, die gegen die aktive Zone geneigt sind. Durch die Ausbildung der über der aktiven Zone angeordneten strukturierten Fensterschicht bzw. der fresnelartigen Linse kann die Dicke der Fensterschicht verhältnismäßig klein gehalten werden. Trotz der geringen Höhe der fresnelartigen Linse bzw. 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 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:
Figur 1 eine Querschnittsansicht durch einen Halbleiterchip für die Optoelektronik mit einer einer aktiven Zone nachgeordneten strukturierten Fensterschicht nach Art einer Fresnel-Linse;
Figur 2 eine Aufsicht auf einen Halbleiterchip mit zentraler Kontaktflache ;
Figur 3 einen Querschnitt durch den Halbleiterchip aus Figur 2;
Figur 4 eine Aufsicht auf einen Halbleiterchip mit seitlich angeordneter Kontaktfläche; und
Figur 5 einen Querschnitt durch den Halbleiterchip aus Figur 4.
Figur 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 Figur 1 dargestellten Halbleiterchip handelt es sich um einen Halbleiterchip für eine Leuchtdiode. Durch in Figur 1 nicht dargestellte geeignete Blenden oder durch die Abmessung der in Figur 1 ebenfalls nicht dargestellten Kontaktstellen ist der Photonen emittierende Bereich der aktiven Schicht 4 auf eine aktive Zone 5 mit einem Durchmesser dA 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 Figur 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:
dA<dH x nM/nH
wobei djj und n^ jeweils der Durchmesser und der Brechungsindex der imaginären Linse 7 bzw. der Fensterschicht 6 und n^ der Brechungsindex des an der Linse 7 bzw. der Fensterschicht 6 anliegenden Mediums sind. Der Durchmesser dA der aktiven Zone 5 muß also kleiner dem im Verhältnis des Brechungsindex njvj des umgebenden Materials zum Brechungsindex n^ des Materials der Linse 7 verringerten Durchmesser djj 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 proj iziert 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^ 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 Figur 2 und 3 sind eine Aufsicht und ein Querschnitt durch einen gemäß Figur 1 gestalteten Halbleiterchip dargestellt. Bei dem in den Figuren 2 und 3 dargestellten Ausführungsbei- spiel 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 DJ « ΓT CQ CQ P- S X CQ X & d 3 α < X rr c C ö SD CD fO P. Φ SD rr CD SD rr 0 SD Φ Φ 3 Φ 0= Ω 0 P- 3 SD d Φ O Φ •O P- P- P- Φ fr 0 P- φ SD d P- rr d Φ 3
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Claims

Patentansprüche
1. 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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Fensterschicht (6) in einem Bereich nach Art einer Fresnel-Linse strukturiert ist, so 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.
2. Halbleiterchip nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der strukturierte Bereich der Fensterschicht sich konstruktiv durch abschnittsweise Projektion von Oberflächenbereichen einer imaginären Linse (7) in Gestalt einer Halbkugel in Richtung auf deren auf die aktive Zone (5) zentrierten Mittelpunkt ergibt .
3. Halbleiterchip nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß für den Durchmesser dA der aktiven Zone gilt:
dA<dH x nM/nH
wobei djj der Durchmesser der imaginären Halbkugel (7) , njj der Brechungsindex der Fensterschicht (6) und njj der Brechungsindex des an die Fensterschicht (6) angrenzenden Mediums sind.
4. Halbleiterchip nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der strukturierte Bereich der Fensterschicht (6) im Querschnitt an ein Polygon angenähert ist.
5. Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Halbleiterchip eine zentrale, oberhalb der aktiven Zone (5) angeordnete Kontaktstelle aufweist.
6. Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Halbleiterchip eine Kontaktstelle (9) außerhalb der Fensterschicht (6) aufweist.
7. Halbleiterchip nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß von der Kontaktstelle (9) ein Kontaktsteg (11) zu der aktiven Zone führt .
8. Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zwischen der aktiven Zone (5) und dem Substrat (2) eine reflektierende Schicht angeordnet ist.
9. 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, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Verfahrensschritte zur Ausbildung einer nach Art einer Fresnel-Linse strukturierten Oberfläche der Fensterschicht (6) :
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) .
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