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DE102017122325A1 - Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement und Verfahren zur Herstellung von strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementen - Google Patents

Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement und Verfahren zur Herstellung von strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementen Download PDF

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Publication number
DE102017122325A1
DE102017122325A1 DE102017122325.8A DE102017122325A DE102017122325A1 DE 102017122325 A1 DE102017122325 A1 DE 102017122325A1 DE 102017122325 A DE102017122325 A DE 102017122325A DE 102017122325 A1 DE102017122325 A1 DE 102017122325A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
radiation
carrier
emitting semiconductor
semiconductor
optical element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102017122325.8A
Other languages
English (en)
Inventor
Roland Heinrich Enzmann
Hubert Halbritter
Martin Rudolf Behringer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ams Osram International GmbH
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osram Opto Semiconductors GmbH filed Critical Osram Opto Semiconductors GmbH
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Priority to CN202311440188.7A priority patent/CN117276451A/zh
Priority to DE112018005496.9T priority patent/DE112018005496B4/de
Priority to DE112018008290.3T priority patent/DE112018008290B4/de
Priority to US16/650,100 priority patent/US11316084B2/en
Priority to CN201880062397.3A priority patent/CN111542933B/zh
Priority to PCT/EP2018/075488 priority patent/WO2019063412A1/de
Priority to JP2020515028A priority patent/JP7052019B2/ja
Publication of DE102017122325A1 publication Critical patent/DE102017122325A1/de
Priority to US17/685,058 priority patent/US11848406B2/en
Priority to JP2022057347A priority patent/JP7318048B2/ja
Priority to US18/495,068 priority patent/US12142712B2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Es wird ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement (1) angegeben, umfassend einen Halbleiterkörper (2) mit einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich (20), einen Träger (3), auf dem der Halbleiterkörper angeordnet ist und ein optisches Element (4), wobei das optische Element mit einer direkten Bondverbindung an dem Halbleiterkörper befestigt ist.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung von strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementen angegeben.

Description

  • Die vorliegende Anmeldung betrifft ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement und ein Verfahren zur Herstellung von strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementen.
  • Für die Strahlformung werden oftmals optische Elemente auf strahlungsemittierende Halbleiterchips aufgesetzt. Eine Einzelmontage solcher optischen Elemente ist jedoch teuer, zeitintensiv und aufwändig, insbesondere wenn eine hohe Positionierungsgenauigkeit gefordert ist.
  • Eine Aufgabe ist es, ein Halbleiterbauelement anzugeben, das einfach und zuverlässig herstellbar ist und sich durch gute Abstrahleigenschaften auszeichnet. Weiterhin soll ein Verfahren angegeben werden, mit dem Halbleiterbauelemente effizient und mit hoher Genauigkeit hergestellt werden können.
  • Diese Aufgaben werden durch ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement beziehungsweise ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Weitere Ausgestaltungs- und Zweckmäßigkeiten sind Gegenstand der anhängigen Patentansprüche.
  • Es wird ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement angegeben.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements weist das strahlungsemittierende Halbleiterbauelement einen Halbleiterkörper mit einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich auf. Beispielsweise ist der aktive Bereich Teil einer insbesondere epitaktisch abgeschiedenen Halbleiterschichtenfolge. Zum Beispiel befindet sich der aktive Bereich zwischen einem ersten Halbleiterbereich und einem zweiten Halbleiterbereich, wobei der erste Halbleiterbereich und der zweite Halbleiterbereich zumindest stellenweise bezüglich des Leitungstyps voneinander verschieden sind, sodass sich der aktive Bereich in einem pn-Übergang befindet. Der aktive Bereich ist beispielsweise zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich vorgesehen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements weist das strahlungsemittierende Halbleiterbauelement einen Träger auf, auf dem der Halbleiterkörper angeordnet ist. Der Träger dient insbesondere der mechanischen Stabilisierung des Halbleiterkörpers. Beispielsweise ist der Träger ein Aufwachssubstrat für die epitaktische Abscheidung des Halbleiterkörpers oder ein vom Aufwachssubstrat verschiedener Träger.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements weist das strahlungsemittierende Halbleiterbauelement ein optisches Element auf. Das optische Element ist insbesondere dafür vorgesehen, die vom aktiven Bereich abgestrahlte Strahlung gemäß einer vorgegebenen Abstrahlcharakteristik, insbesondere einer räumlichen Abstrahlcharakteristik zu formen, beispielsweise zu fokussieren, zu kollimieren oder aufzuweiten. Das optische Element wird insbesondere für die im aktiven Bereich erzeugte Strahlung durchlässig ausgebildet.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements ist das optische Element mit einer direkten Bondverbindung an dem Halbleiterkörper befestigt.
  • Bei einer direkten Bondverbindung werden die miteinander zu verbinden Verbindungspartner, welche insbesondere vorgefertigt sind, durch atomare und/oder molekulare Kräfte zusammengehalten, insbesondere mittels Wasserstoffbrückenbindungen und/oder Van-der-Waals-Wechselwirkungen. Eine direkte Bondverbindung erfolgt typischerweise zwischen zwei ebenen Grenzflächen allein unter Einwirkung von Druck und/oder Temperatur. Eine Fügeschicht wie beispielsweise eine Klebeschicht oder eine Lotschicht ist für eine direkte Bondverbindung nicht erforderlich. Absorptionsverluste in einer solchen Fügeschicht können vermieden werden.
  • Die Grenzflächen, zwischen denen die direkte Bondverbindung gebildet ist, weisen vorzugsweise eine mittlere quadratische Rauigkeit (auch als rms-Rauigkeit bezeichnet) von höchstens 5 nm, insbesondere von höchstens 3 nm oder höchstens 1 nm auf.
  • Der Halbleiterkörper und das optische Element müssen nicht notwendigerweise unmittelbar aneinander angrenzen. Beispielsweise können zwischen dem Halbleiterkörper und dem optischen Element eine oder zwei Bondhilfsschichten angeordnet sein. Als Bondhilfsschicht eignet sich beispielsweise eine Oxid-Schicht, etwa eine Schicht, die Siliciumdioxid enthält. Die Bondhilfsschicht ist zweckmäßigerweise für die im aktiven Bereich zu erzeugende Strahlung durchlässig ausgebildet, etwa mit einer Transmission von mindestens 90 % oder mindestens 95 %. Dies gilt analog für die gegebenenfalls vorhandene weitere Bondhilfsschicht.
  • In mindestens einer Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements umfasst das strahlungsemittierende Halbleiterbauelement einen Halbleiterkörper mit einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich, einen Träger, auf dem der Halbleiterkörper angeordnet ist, und ein optisches Element, wobei das optische Element mit einer direkten Bondverbindung an dem Halbleiterkörper befestigt ist.
  • Bei der Herstellung des strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements kann die direkte Bondverbindung zwischen dem optischen Element und dem Halbleiterkörper noch im Verbund gleichzeitig für eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen hergestellt werden. Gleichzeitig zeichnet sich eine direkte Bondverbindung durch eine hohe Zuverlässigkeit, insbesondere über einen großen Temperaturbereich aus. Die Befestigung im Verbund kann mit einer besonders hohen Genauigkeit erzielt werden, insbesondere im Vergleich zu einer Einzelmontage von einzelnen optischen Elementen auf einzelnen Halbleiterkörpern. Beispielsweise ist das optische Element mit einer Genauigkeit von 1 Mikrometer oder weniger an dem zugeordneten Halbleiterkörper befestigt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements schließen der Träger und das optische Element an einer das Halbleiterbauelement begrenzenden Seitenfläche bündig ab. Bei der Herstellung des strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements können der Träger und das optische Element in einem gemeinsamen Vereinzelungsschritt durchtrennt werden. Der Träger und das optische Element können daher für das Vereinzelungsverfahren charakteristische Spuren aufweisen, beispielsweise Spuren eines mechanischen Materialabtrags, etwa Sägespuren, Spuren eines chemischen Materialabtrags oder Spuren eines Materialabtrags mittels kohärenter Strahlung, etwa eines Lasertrennverfahrens.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements ist zwischen dem aktiven Bereich und dem optischen Element ein Spiegelbereich angeordnet. Der Spiegelbereich ist beispielsweise als ein Bragg-Spiegel ausgebildet. Beispielsweise ist der Spiegelbereich ein Teil eines Resonators, in dem sich der aktive Bereich befindet. Zum Beispiel ist das strahlungsemittierende Halbleiterbauelement ein oberflächenemittierender Laser mit vertikaler Kavität (vertical cavity surface emitting laser, VCSEL) oder eine Leuchtdiode mit resonanter Kavität (resonant cavity light emitting diode, RCLED).
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements ist der Spiegelbereich zwischen dem aktiven Bereich und der direkten Bondverbindung angeordnet. Bei der Herstellung des strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements befindet sich also der Spiegelbereich auf derselben Seite der direkten Bondverbindung wie der aktive Bereich. Beispielsweise ist der Spiegelbereich ein Teil des Halbleiterkörpers oder auf der dem optischen Element zugewandten Seite des Halbleiterkörpers angeordnet.
  • Ein außerhalb des Halbleiterkörpers angeordneter Spiegelbereich ist beispielsweise durch eine Mehrzahl dielektrischer Schichten gebildet. Im Unterschied zu einem in den Halbleiterkörper integrierten Bragg-Spiegel können Einzelschichten eines dielektrischen Bragg-Spiegels vergleichsweise große Unterschiede im Brechungsindex aufweisen, sodass ein hocheffizienter Bragg-Spiegel vereinfacht herstellbar ist.
  • Ein in den Halbleiterkörper integrierter Bragg-Spiegel kann insbesondere elektrisch leitend, etwa p-leitend oder n-leitend, ausgebildet sein. Die elektrische Kontaktierung des aktiven Bereichs kann durch den Spiegelbereich hindurch erfolgen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements ist der Spiegelbereich zwischen der direkten Bondverbindung und dem optischen Element angeordnet. Bei der Herstellung des strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements kann der Spiegelbereich auf dem optischen Element ausgebildet werden, noch bevor die direkte Bondverbindung hergestellt wird.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements ist der aktive Bereich in eine Mehrzahl von Segmenten unterteilt. Die Segmente können insbesondere unabhängig voneinander extern elektrisch ansteuerbar sein. Beispielsweise ist die Mehrzahl von Segmenten in einer eindimensionalen oder zweidimensionalen Matrix lateral nebeneinander angeordnet. Das optische Element kann sich insbesondere durchgängig über die Mehrzahl von Segmenten erstrecken. Beispielsweise weist das optische Element für jedes Segment ein Optiksegment auf, wobei die Optiksegmente bezüglich ihrer Strahlformung jeweils gleichartig oder voneinander verschieden ausgebildet sein können.
  • Für die externe elektrische Kontaktierung weist das strahlungsemittierende Halbleiterbauelement zweckmäßigerweise zumindest zwei Kontakte auf. Durch Anlegen einer externen elektrischen Spannung zwischen den Kontakten können Ladungsträger von unterschiedlichen Seiten in den aktiven Bereich gelangen und dort unter Emission von Strahlung rekombinieren.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements ist auf einer dem optischen Element zugewandten Seite des Halbleiterkörpers ein Kontakt zur externen elektrischen Kontaktierung des Halbleiterbauelements angeordnet. Die direkte Bondverbindung grenzt insbesondere auf einer dem Halbleiterkörper zugewandten Seite an eine Bondhilfsschicht an. Die Bondhilfsschicht überdeckt den Kontakt vollständig und weist beispielsweise stellenweise eine größere vertikale Ausdehnung auf als der Kontakt. Zum Beispiel dient die Bondhilfsschicht bei der Herstellung des strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements dazu, die dem optischen Element zugewandte Fläche zu planarisieren.
  • Ein auf der dem optischen Element zugewandten Seite angeordneter Kontakt ist beispielsweise ringförmig ausgebildet, sodass die im aktiven Bereich erzeugte Strahlung durch die Öffnung des Rings austreten kann.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements weist das strahlungsemittierende Halbleiterbauelement auf einer dem optischen Element abgewandten Seite des Halbleiterkörpers zwei Kontakte zur externen elektrischen Kontaktierung auf, beispielsweise auf einer dem Halbleiterkörper abgewandten Seite des Trägers. Insbesondere kann die dem optischen Element zugewandte Seite des Halbleiterkörpers völlig frei von elektrischen Kontakten sein. Das optische Element kann in diesem Fall den Halbleiterkörper auch vollständig überdecken.
  • Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung von strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementen angegeben.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine Halbleiterschichtenfolge mit einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich auf einem Träger und mit einer ersten Grenzfläche bereitgestellt. Die Grenzfläche kann durch die Halbleiterschichtenfolge oder eine auf der Halbleiterschichtenfolge angeordnete Schicht, etwa eine Bondhilfsschicht gebildet sein. Die Halbleiterschichtenfolge kann bereits in eine Mehrzahl von Halbleiterkörpern unterteilt sein. Der aktive Bereich eines Halbleiterkörpers kann jeweils in eine Mehrzahl von Segmenten unterteilt sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren einen Schritt, in dem ein Optikträger mit einer zweiten Grenzfläche bereitgestellt wird. Die zweite Grenzfläche kann durch den Optikträger oder eine auf dem Optikträger angeordnete Schicht, etwa eine weitere Bondhilfsschicht gebildet sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren einen Schritt, in dem eine direkte Bondverbindung zwischen der ersten Grenzfläche und der zweiten Grenzfläche hergestellt wird. Dadurch wird ein Verbund mit dem Träger mit der Halbleiterschichtenfolge einerseits und dem Optikträger andererseits ausgebildet.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren einen Schritt, in dem eine Vereinzelung in die Mehrzahl von strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementen erfolgt, wobei die strahlungsemittierenden Halbleiterbauelemente jeweils einen Teil des Trägers, einen Teil der Halbleiterschichtenfolge und einen Teil des Optikträgers aufweisen. Insbesondere geht aus der Halbleiterschichtenfolge für jedes strahlungsemittierende Halbleiterbauelement jeweils ein Halbleiterkörper und aus dem Optikträger jeweils ein optisches Element hervor.
  • Bei einem Herstellen der direkten Bondverbindung können der Träger und der Optikträger mit einer hohen Genauigkeit zueinander positioniert werden, beispielsweise unter Verwendung von Justiermarken, die auf den Träger und/oder den Optikträger, insbesondere jeweils in einem Randbereich davon angeordnet sind.
  • In mindestens einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine Halbleiterschichtenfolge mit einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich auf einen Träger mit einer ersten Grenzfläche bereitgestellt. Ein Optikträger mit einer zweiten Grenzfläche wird bereitgestellt. Eine direkte Bondverbindung wird zwischen der ersten Grenzfläche und der zweiten Grenzfläche hergestellt. Es erfolgt ein Vereinzeln in die Mehrzahl von strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementen, wobei die strahlungsemittierenden Halbleiterbauelemente jeweils einen Teil des Trägers, einen Teil der Halbleiterschichtenfolge und einen Teil des Optikträgers aufweisen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden der Optikträger und der Träger beim Vereinzeln durchtrennt, insbesondere in einem gemeinsamen Durchtrennungsschritt. Bei derartigen Halbleiterbauelementen können der Halbleiterkörper und das zugeordnete optische Element zumindest stellenweise an einer Seitenfläche des Halbleiterbauelements bündig abschließen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden die erste Grenzfläche und/oder die zweite Grenzfläche vor dem Herstellen der direkten Bondverbindung geglättet, insbesondere chemo-mechanisch poliert. Durch ein solches, auch als CMP-Verfahren bezeichnetes, Verfahren können besonders glatte Oberflächen mit hoher Effizienz und Genauigkeit hergestellt werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist auf der Halbleiterschichtenfolge ein Kontakt angeordnet, wobei der Kontakt beim Herstellen der direkten Bondverbindung vom Optikträger bedeckt wird und nach dem Herstellen der direkten Bondverbindung freigelegt wird. Der Optikträger kann in vertikaler Richtung, also senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs stellenweise vollständig entfernt werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens sind auf der Halbleiterschichtenfolge ein Kontakt und eine Bondhilfsschicht, die den Kontakt bedeckt, angeordnet, wobei die Bondhilfsschicht vor dem Herstellen der direkten Bondverbindung chemo-mechanisch poliert wird. Die Herstellung einer ebenen ersten Grenzfläche wird so vereinfacht. Die Bondhilfsschicht kann den Kontakt nach dem Polieren noch vollständig überdecken. Die Bondhilfsschicht bildet also durchgängig eine Grenzfläche für die direkte Bondverbindung. Alternativ ist auch denkbar, dass der Kontakt nach dem Glätten zumindest stellenweise oder vollständig freiliegt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine dem Träger abgewandte Strahlungsaustrittsfläche des Optikträgers nach dem Herstellen der direkten Bondverbindung geformt. Zum Zeitpunkt des Herstellens der direkten Bondverbindung kann der Optikträger insbesondere als ein ebener Optikträger ausgebildet sein, der selbst noch keine strahlformenden Eigenschaften aufweist. Die optischen Elemente werden also erst ausgebildet, nachdem der Optikträger bereits an der Halbleiterschichtenfolge befestigt ist. Auf eine hochpräzise Anordnung des Optikträgers relativ zum Träger vor der Herstellung der direkten Bondverbindung kann in diesem Fall verzichtet werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens weist der Optikträger vor dem Herstellen der direkten Bondverbindung eine Mehrzahl von optischen Elementen auf. Nach dem Herstellen der direkten Bondverbindung ist also kein weiterer Schritt mehr erforderlich, um die optischen Elemente auszubilden, abgesehen von der Durchtrennung des Optikträgers beim Vereinzeln.
  • Das Verfahren ist für die Herstellung eines vorstehend beschriebenen strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements besonders geeignet. Im Zusammenhang mit dem strahlungsemittierenden Halbleiterbauelement angeführte Merkmale können daher auch für das Verfahren herangezogen werden und umgekehrt.
  • Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den Figuren.
  • Es zeigen:
    • 1, 2, 3 und 4 jeweils ein Ausführungsbeispiel für ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement anhand einer schematischen Schnittansicht; und
    • die 5A, 5B, 5C und 5D sowie die 6A und 6B jeweils ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung von strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementen anhand von jeweils in schematischer Schnittansicht dargestellten Zwischenschritten.
  • Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Die Figuren sind jeweils schematische Darstellungen und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu. Vielmehr können vergleichsweise kleine Elemente und insbesondere Schichtdicken zur Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt sein.
  • In 1 ist ein Ausführungsbeispiel für ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement gezeigt. Das strahlungsemittierende Halbleiterbauelement 1 weist einen Halbleiterkörper 2 mit einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich 20 auf. Der Halbleiterkörper 2 ist auf einem Träger 3 angeordnet. Beispielsweise ist der Träger ein Aufwachssubstrat für die epitaktische Abscheidung der Halbleiterschichten des Halbleiterkörpers. Davon abweichend kann der Träger auch ein von dem Aufwachssubstrat verschiedener Träger sein. In diesem Fall kann der Träger mittels einer Verbindungsschicht an dem Halbleiterkörper 2 befestigt sein.
  • Das Halbleiterbauelement 1 weist weiterhin ein optisches Element 4 auf. Das optische Element 4 ist mittels einer direkten Bondverbindung 6 an dem Halbleiterkörper 2 befestigt. Die direkte Bondverbindung ist exemplarisch zwischen einer Bondhilfsschicht 61 und einer weiteren Bondhilfsschicht 62 ausgebildet. Beispielsweise weisen die Bondhilfsschicht 61 und die weitere Bondhilfsschicht 62 jeweils ein Oxid, etwa ein Siliciumoxid auf. Davon abweichend kann das Halbleiterbauelement 1 jedoch auch nur eine Bondhilfsschicht oder keine Bondhilfsschicht aufweisen.
  • Das optische Element 4 ist für die im aktiven Bereich 20 zu erzeugende Strahlung durchlässig ausgebildet. Beispielsweise weist das optische Element 4 ein Glas, Galliumphosphid, Galliumnitrid oder Silicium auf. Silicium eignet sich insbesondere für Strahlung im infraroten Spektralbereich mit einer Wellenlänge von mindestens 1100 nm.
  • Das optische Element 4 ist exemplarisch als eine refraktive Optik ausgebildet, die beispielsweise die zu erzeugende Strahlung kollimiert oder fokussiert. In Draufsicht auf das Halbleiterbauelement weist das optische Element eine beispielsweise konvex gekrümmte Strahlungsaustrittsfläche 40 auf. Das optische Element kann jedoch auch beispielsweise für eine Strahlaufweitung oder allgemein eine Strahlformung gemäß einer vorgegebenen Abstrahlcharakteristik gebildet sein.
  • Weiterhin kann das optische Element 4 auch als ein diffraktives optisches Element ausgebildet sein. Bei einem diffraktiven optischen Element basiert die Funktionsweise nicht auf Brechung, sondern auf Beugung der auf das optische Element auftreffenden Strahlung.
  • Das optische Element 4 und der Träger 3 bilden stellenweise einen Teil der das Halbleiterbauelements 1 in lateraler Richtung begrenzenden Seitenfläche 11. An der Seitenfläche 11 des Halbleiterbauelements 1 schließen eine Seitenfläche 45 des optischen Elements und eine Seitenfläche 30 des Trägers bündig miteinander ab.
  • Für die externe elektrische Kontaktierung weist das Halbleiterbauelement 1 zwei Kontakte auf, wobei einer der Kontakte auf der dem optischen Element 4 zugwandten Seite des Halbleiterkörpers 2 angeordnet ist. Das optische Element 4 weist einen Durchbruch 41 auf, in den der Kontakt 5 für die elektrische Kontaktierung, etwa mittels eines Bond-Drahts freiliegt. Der Durchbruch 41 erstreckt sich auch durch die gegebenenfalls vorhandenen Bondhilfsschichten 61, 62.
  • Das Halbleiterbauelement 1 ist beispielsweise als ein oberflächenemittierender Laser oder als eine Leuchtdiode mit resonanter Kavität ausgebildet. Der aktive Bereich 20 befindet sich zwischen einem Spiegelbereich 7 und einem weiteren Spiegelbereich 75.
  • In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind sowohl der Spiegelbereich 7 als auch der weitere Spiegelbereich 75 Teil des Halbleiterkörpers. Die elektrische Kontaktierung des aktiven Bereichs 20 erfolgt durch den Spiegelbereich 7 und den weiteren Spiegelbereich 75 hindurch.
  • Der Halbleiterkörper 2 umfasst einen ersten Halbleiterbereich 21 und einen zweiten Halbleiterbereich 22, wobei der erste Halbleiterbereich und der zweite Halbleiterbereich bezüglich des Ladungstyps voneinander verschieden sind und der aktive Bereich zwischen dem ersten Halbleiterbereich 21 und dem zweiten Halbleiterbereich 22 angeordnet ist. Der aktive Bereich 20 befindet sich also in einem pn-Übergang. Der Spiegelbereich 7 ist ein Teil des zweiten Halbleiterbereichs 22. Der weitere Spiegelbereich 75 ist ein Teil des ersten Halbleiterbereichs 21.
  • Beispielsweise ist der aktive Bereich zur Erzeugung von Strahlung im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich vorgesehen.
  • Der Halbleiterkörper 2, insbesondere der aktive Bereich 20 enthält vorzugsweise III-V-Verbindungshalbleitermaterial.
  • III-V-Verbindungs-Halbleitermaterialien sind zur Strahlungserzeugung im ultravioletten (Alx Iny Ga1-x-y N) über den sichtbaren (Alx Iny Ga1-x-y N, insbesondere für blaue bis grüne Strahlung, oder Alx Iny Ga1-x-y P, insbesondere für gelbe bis rote Strahlung) bis in den infraroten (Alx Iny Ga1-x-y As) Spektralbereich besonders geeignet. Hierbei gilt jeweils 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1, insbesondere mit x ≠ 1, y ≠ 1, x ≠ 0 und/oder y ≠ 0. Mit III-V-Verbindungs-Halbleitermaterialien, insbesondere aus den genannten Materialsystemen, können weiterhin bei der Strahlungserzeugung hohe interne Quanteneffizienzen erzielt werden.
  • Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in Zusammenhang mit 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu weist das Halbleiterbauelement 1 eine Mehrzahl von Segmenten 20A, 20B des aktiven Bereichs auf. Die Segmente können in lateraler Richtung, also entlang einer Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs zeilenförmig oder matrixförmig nebeneinander angeordnet sein.
  • Das optische Element 4 erstreckt sich durchgängig über die Segmente 20A, 20B. Den Segmenten ist jeweils ein Optiksegment 42 zugeordnet, wobei die Optiksegmente 42 bezüglich ihrer Strahlformungseigenschaften jeweils gleichartig ausgebildet sind. Davon abweichend können sich die Optiksegmente 42 hinsichtlich ihrer Strahlformung jedoch auch voneinander unterscheiden. Die Segmente 20A, 20B sind jeweils über zugeordnete Kontakte 5 unabhängig voneinander extern elektrisch kontaktierbar. Ein auf der dem Halbleiterkörper 2 abgewandten Seite des Trägers 3 angeordneter Kontakt 5 kann einen gemeinsamen Rückkontakt für zwei oder mehr, insbesondere alle Segmente bilden.
  • Eine solche Segmentierung des aktiven Bereichs kann auch für die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele Anwendung finden.
  • Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu ist der Spiegelbereich 7 zwischen der direkten Bondverbindung 6 und dem optischen Element 4 angeordnet. Bei der Herstellung des Halbleiterbauelements kann der Spiegelbereich 7 also getrennt vom Halbleiterkörper 2 auf dem optischen Element 4 ausgebildet werden. Beispielsweise ist der Spiegelbereich 7 durch einen Bragg-Spiegel in Form von mehreren dielektrischen Schichten gebildet, wobei sich benachbarte Schichten bezüglich ihrer Brechungsindizes jeweils voneinander unterscheiden.
  • Die dem Halbleiterkörper 2 nächstgelegene Schicht des Spiegelbereichs 7 bildet zudem die Grenzfläche für die Herstellung der direkten Bondverbindung 6. Davon abweichend kann, wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben, auch eine weitere Bondhilfsschicht vorgesehen sein.
  • Das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in Zusammenhang mit 1 beschriebenem Ausführungsbeispiel.
  • Im Unterschied hierzu weist das Halbleiterbauelement 1 auf der dem optischen Element 4 abgewandten Seite des Halbleiterkörpers 2, insbesondere auf der dem optischen Element abgewandten Seite des Trägers 3 zwei Kontakte 5 zur externen elektrischen Kontaktierung auf. Auf der dem optischen Element 4 zugewandten Seite ist der Halbleiterkörper 2 völlig frei von Elementen für die externe elektrische Kontaktierung. Das optische Element 4 kann den Halbleiterkörper 2 vollständig bedecken, ohne die externe elektrische Kontaktierung des Halbleiterbauelements 1 zu beeinträchtigen. Der zweite Halbleiterbereich 22, der auf dem Träger 3 abgewandten Seite des aktiven Bereichs 20 angeordnet ist, ist über eine Ausnehmung 25 im Halbleiterkörper elektrisch kontaktiert. Die Ausnehmung 25 erstreckt sich insbesondere durch den aktiven Bereich 20 hindurch. Zur Vermeidung eines elektrischen Kurzschlusses des aktiven Bereichs 20 ist die Ausnehmung mit einer Isolationsschicht 26 ausgekleidet.
  • In den 5A bis 5D ist ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen gezeigt, wobei lediglich exemplarisch ein Halbleiterbauelement hergestellt wird, wie es im Zusammenhang mit 1 beschrieben ist.
  • Wie in 5A dargestellt, wird eine Halbleiterschichtenfolge 29 mit einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich 20 auf einem Träger 3 bereitgestellt. Die Halbleiterschichtenfolge 2 kann in lateraler Richtung bereits in eine Mehrzahl von Halbleiterkörpern strukturiert sein. Dies ist zur vereinfachten Darstellung nicht gezeigt.
  • Auf der dem Träger 3 abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge 29 ist ein Kontakt 5 angeordnet. Eine Bondhilfsschicht 61 überdeckt den Kontakt 5 vollständig und befüllt die Zwischenräume 51 zwischen den Kontakten 5. In den Zwischenräumen 51 grenzt die Bondhilfsschicht an der Halbleiterschichtenfolge 29 an. Die Bondhilfsschicht 61 bildet eine erste Grenzfläche 81. Nachfolgend wird, wie in 5B dargestellt, die erste Grenzfläche 81 erforderlichenfalls eingeebnet, etwa mittels chemomechanischen Polierens.
  • Ein Optikträger 49 wird bereitgestellt, wobei der Optikträger in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von optischen Elementen 4 aufweist (5B). Die optischen Elemente 4 sind zusammenhängend in dem Optikträger 49 ausgebildet. Der Optikträger 49 überdeckt die Halbleiterschichtenfolge 29 vollständig. Eine zweite Grenzfläche 82 des Optikträgers 49 ist exemplarisch mittels einer weiteren Bondhilfsschicht 62 gebildet.
  • Eine hochpräzise relative Justage zwischen dem Optikträger 49 und dem Träger 3 mit der Halbleiterschichtenfolge 29 kann beispielsweise mittels Justiermarken erzielt werden, die sich am Rand des Optikträgers 49 und/oder des Trägers 3 mit der Halbleiterschichtenfolge 29 befinden können. Diese befinden sich außerhalb der herzustellenden Halbleiterbauelemente und daher in den Figuren nicht explizit gezeigt. Dadurch sind Genauigkeiten der relativen Justage zwischen Optikträger und Halbleiterschichtenfolge in lateraler Richtung von 1 µm oder weniger erzielbar.
  • Nachfolgend wird, wie in 5C dargestellt, eine direkte Bondverbindung 6 zwischen der ersten Grenzfläche 81 und der zweiten Grenzfläche 82 hergestellt.
  • Die Kontakte 5 werden freigelegt. Hierfür wird im Optikträger 49 eine Mehrzahl von Durchbrüchen 41 ausgebildet, etwa durch Ätzen.
  • Abschließend erfolgt eine Vereinzelung in eine Mehrzahl von Halbleiterbauelementen 1 entlang von Vereinzelungslinien 9 (5D). Bei der Vereinzelung werden der Optikträger 49 und der Träger 3 mit der Halbleiterschichtenfolge 29 derart durchtrennt, dass die fertiggestellten Halbleiterbauelemente jeweils einen Teil des Trägers 3, einen aus der Halbleiterschichtenfolge 29 gebildeten Halbleiterkörper 2 und ein optisches Element 4 aufweisen. Nach der Vereinzelung ist es also nicht mehr erforderlich, auf den einzelnen Halbleiterbauelementen jeweils ein optisches Element aufzubringen.
  • Die Vereinzelung kann mechanisch, etwa durch Sägen, chemisch, etwa durch Ätzen oder mittels kohärenter Strahlung, etwa durch ein Lasertrennverfahren erfolgen.
  • In den 6A und 6B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Verfahren gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den 5A bis 5D beschriebenen Ausführungsbeispiel.
  • Im Unterschied hierzu wird der Optikträger 49 in lateraler Richtung völlig unstrukturiert mittels einer direkten Bondverbindung 6 an den Träger 3 mit der Halbleiterschichtenfolge 29 befestigt (6A). Erst nachfolgend wird der Optikträger 49 an einer der Halbleiterschichtenfolge 29 abgewandten Strahlungsaustrittsfläche 40 bearbeitet, um so die optischen Elemente 4 zu bilden (6B). Dies kann beispielsweise durch ein Ätzverfahren erfolgen. Auf eine hochpräzise Justage des Optikträgers 49 relativ zum Träger 3 mit der Halbleiterschichtenfolge 29 kann in diesem Fall verzichtet werden.
  • Die weiteren Schritte, etwa die Vereinzelung können wie im Zusammenhang mit den 5A bis 5D beschrieben erfolgen.
  • Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder den Ausführungsbeispielen angegeben ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Halbleiterbauelement
    11
    Seitenfläche
    2
    Halbleiterkörper
    20
    aktiver Bereich
    20A
    Segment
    20B
    Segment
    21
    erster Halbleiterbereich
    22
    zweiter Halbleiterbereich
    25
    Ausnehmung
    29
    Halbleiterschichtenfolge
    3
    Träger
    30
    Seitenfläche
    4
    optisches Element
    40
    Strahlungsaustrittsfläche
    41
    Durchbruch
    42
    Optiksegment
    45
    Seitenfläche
    49
    Optikträger
    5
    Kontakt
    51
    Zwischenraum
    6
    direkte Bondverbindung
    61
    Bondhilfsschicht
    62
    weitere Bondhilfsschicht
    7
    Spiegelbereich
    75
    weiterer Spiegelbereich
    81
    erste Grenzfläche
    82
    zweite Grenzfläche
    9
    Vereinzelungslinie

Claims (16)

  1. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement (1), umfassend - einen Halbleiterkörper (2) mit einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich (20); - einen Träger (3), auf dem der Halbleiterkörper angeordnet ist; und ein optisches Element (4), wobei das optische Element mit einer direkten Bondverbindung an dem Halbleiterkörper befestigt ist.
  2. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei der Träger und das optische Element an einer das Halbleiterbauelement begrenzenden Seitenfläche (11) bündig abschließen.
  3. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen dem aktiven Bereich und dem optischen Element ein Spiegelbereich (7) angeordnet ist.
  4. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, wobei der Spiegelbereich zwischen dem aktiven Bereich und der direkten Bondverbindung angeordnet ist.
  5. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, wobei der Spiegelbereich zwischen der direkten Bondverbindung und dem optischen Element angeordnet ist.
  6. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der aktive Bereich in eine Mehrzahl von Segmenten (20A, 20B) unterteilt ist und sich das optische Element durchgängig über die Mehrzahl von Segmenten erstreckt.
  7. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei - auf einer dem optischen Element zugewandten Seite des Halbleiterkörpers ein Kontakt (5) zur externen elektrischen Kontaktierung des Halbleiterbauelements angeordnet ist; - die direkte Bondverbindung auf einer dem Halbleiterkörper zugewandten Seite an eine Bondhilfsschicht (61) angrenzt; und - die Bondhilfsschicht den Kontakt vollständig überdeckt und stellenweise eine größere vertikale Ausdehnung aufweist als der Kontakt.
  8. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 6, wobei das strahlungsemittierende Halbleiterbauelement auf einer dem optischen Element abgewandten Seite des Trägers zwei Kontakte (5) zur externen elektrischen Kontaktierung aufweist.
  9. Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementen, mit den Schritten: a) Bereitstellen einer Halbleiterschichtenfolge (29) mit einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich (20) auf einem Träger (3) und mit einer ersten Grenzfläche (81); b) Bereitstellen eines Optikträgers (49) mit einer zweiten Grenzfläche (82); c) Herstellen einer direkten Bondverbindung (6) zwischen der ersten Grenzfläche und der zweiten Grenzfläche; d) Vereinzeln in die Mehrzahl von strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementen (1), wobei die strahlungsemittierenden Halbleiterbauelemente jeweils einen Teil des Trägers, der Halbleiterschichtenfolge und des Optikträgers aufweisen.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei in Schritt d) der Optikträger und der Träger durchtrennt werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei vor Schritt c) die erste Grenzfläche und/oder die zweite Grenzfläche chemomechanisch poliert werden.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei auf der Halbleiterschichtenfolge ein Kontakt (5) angeordnet ist, wobei der Kontakt in Schritt c) von dem Optikträger bedeckt wird und nach Schritt c) freigelegt wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei auf der Halbleiterschichtenfolge ein Kontakt (5) und eine Bondhilfsschicht (61), die den Kontakt bedeckt, angeordnet sind und die Bondhilfsschicht vor Schritt c) chemomechanisch poliert wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei eine dem Träger abgewandte Strahlungsaustrittsfläche (40) des Optikträgers nach Schritt c) geformt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei der Optikträger vor Schritt c) eine Mehrzahl von optischen Elementen (4) aufweist.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt wird.
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