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WO2019115344A1 - Lichtemittierendes halbleiterbauteil und verfahren zur herstellung eines licht emittierenden halbleiterbauteils - Google Patents

Lichtemittierendes halbleiterbauteil und verfahren zur herstellung eines licht emittierenden halbleiterbauteils Download PDF

Info

Publication number
WO2019115344A1
WO2019115344A1 PCT/EP2018/083789 EP2018083789W WO2019115344A1 WO 2019115344 A1 WO2019115344 A1 WO 2019115344A1 EP 2018083789 W EP2018083789 W EP 2018083789W WO 2019115344 A1 WO2019115344 A1 WO 2019115344A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
semiconductor body
conversion element
semiconductor
matrix material
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/083789
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Adrian Stefan Avramescu
Siegfried Herrmann
Alexander Behres
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
Priority to US16/769,586 priority Critical patent/US11600751B2/en
Publication of WO2019115344A1 publication Critical patent/WO2019115344A1/de

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    • H01L33/502—Wavelength conversion materials
    • H01L33/504—Elements with two or more wavelength conversion materials

Definitions

  • Document US 2014/0070246 describes a light-emitting semiconductor device.
  • Another object to be solved is to provide a method of producing such a light-emitting device
  • a semiconductor light-emitting device is specified.
  • the light-emitting semiconductor component can be, for example, a light-emitting diode, a light-emitting diode chip, a laser or a laser diode chip.
  • the light-emitting semiconductor component comprises a semiconductor body.
  • the semiconductor body is produced epitaxially, for example.
  • the semiconductor body comprises an active region which is designed to emit primary radiation.
  • the primary radiation is, for example, light from the spectral range of UV radiation to blue light.
  • the active region for emitting blue light is designed as primary radiation.
  • the active region comprises, for example, a quantum well structure or a multiple quantum well structure.
  • the semiconductor body can open based on a nitride compound semiconductor.
  • Range is then based on, for example, InGaN.
  • the semiconductor component comprises a first conversion element which is used to convert a part of the semiconductor device
  • Primary radiation is formed into a secondary radiation. That is, the conversion element absorbs, for example, a part of the primary radiation and reemit a first secondary radiation, which is lower energy than the
  • the first secondary radiation is, for example, green light.
  • the conversion element is therefore intended to be optically pumped by the primary radiation and to emit secondary radiation.
  • the first conversion element is arranged on an upper side of the semiconductor body.
  • the first conversion element is formed or applied to a top surface of the semiconductor body, which is formed by a main surface of the semiconductor body.
  • the first conversion element is as
  • Conversion element is a three-dimensional structure, for example, a structure that
  • the first conversion element does not completely cover the semiconductor body at its upper side, but only partially. For example, the first covers
  • Conversion element a small part of the top surface at the Top of the semiconductor body.
  • Top surface at most 30%, in particular at most 10%, covered by the first conversion element.
  • the light-emitting semiconductor component comprises a semiconductor body having an active region, which is designed to emit a primary radiation, and a first conversion element, which is designed to convert a part of the primary radiation to a first secondary radiation. This is the first one
  • the first conversion element disposed on an upper side of the semiconductor body, the first conversion element is formed as a body which partially covers the semiconductor body at its top, and the first conversion element is connected to the semiconductor body.
  • the light-emitting comprises
  • Conversion element may be formed, for example, with a different material as the first conversion element.
  • the first conversion element may be based on a nitride compound semiconductor material
  • the second conversion element may be based on a nitride, phosphide or arsenide compound semiconductor material.
  • each of the first and second conversion elements may be based on InGaN, with the second
  • the Conversion element at least in places has a higher indium concentration.
  • the indium concentration in the second conversion element may be, for example, 40% or more.
  • the second conversion element is at the top of the
  • Conversion element is designed as a body that the
  • the second conversion element is connected to the semiconductor body.
  • the second secondary radiation emitted by the second conversion element can, in particular, comprise light of a different wavelength range than the first
  • Secondary radiation may be at the first secondary radiation to green light and the second
  • the semiconductor component comprises further conversion elements, for example a plurality of first conversion elements and a plurality of second ones
  • Conversion elements or conversion elements of other types that emit secondary radiation of a different kind for example amber light.
  • Conversion element and / or the second conversion element monolithically connected to the semiconductor body. That is, the at least one conversion element and the
  • Semiconductor bodies can adjoin one another directly.
  • Semiconductor body is, for example, no further material that belongs neither to the semiconductor body to the conversion element, arranged and the adhesion between the
  • a method of manufacturing a semiconductor light emitting device With the method, in particular, a light-emitting semiconductor component described here can be produced, so that all the features disclosed for the light-emitting semiconductor component are also disclosed for the method, and vice versa.
  • the semiconductor body is first provided.
  • Semiconductor body can be present for example in the wafer composite, the wafer composite a variety of
  • Semiconductor body includes, for example, in common
  • a mask having a multiplicity of openings is produced on the upper side of the semiconductor body.
  • the mask can, for example, with an electrically insulating material, for example with a
  • Photoresist material and / or with a silicon oxide and / or with a silicon nitride be formed.
  • the openings can then be produced particularly precisely, in particular by a photographic technique, lithographically.
  • first and / or second conversion elements and / or further conversion elements on the upper side of the semiconductor body in the openings of the mask. That is, the conversion elements are created by selective growth in the openings directly on the semiconductor body.
  • Light-emitting diodes which can generate, for example, red, green and blue light, so-called RGB LEDs, have fine structures, for example, the use of light-emitting diodes as imaging elements in a
  • Spraying or dispensing find use that are to be used for small distances of the different conversion elements, however, only with great technical effort.
  • Formed light emitting diode chips which are intended for the emission of blue, green and red light, and based for example on nitride compound semiconductor material and phosphide compound semiconductor material.
  • Semiconductor component and a method described here is based on the idea of generating local conversion structures, the conversion elements, on a semiconductor body.
  • conversion elements which are deposited in a locally structured manner by selective epitaxy are generated on a semiconductor body which comprises an active region which emits blue light, for example. That is, the
  • Conversion elements of the light-emitting Semiconductor devices are spatially separated from each other and only by another component of the
  • Semiconductor device for example, by the semiconductor body, connected together.
  • the openings in the mask can be photolithographically generated, so that the conversion elements produced by selective epitaxy with
  • Conversion elements convert the light from the planar base layer of the semiconductor body, for example at the
  • the conversion elements can be located on the emission side and on the side of the light-emitting semiconductor component opposite the emission side.
  • Emission wavelengths of the conversion elements can be influenced by the structure of their active regions, for example by the structure of their quantum well structures.
  • the material composition for example, the indium content, and / or the thickness can be adjusted.
  • the emission wavelength of the conversion elements can be influenced by lattice strains and the so-called quantum confined strong effect.
  • a light-emitting semiconductor component described here as well as a method described here are distinguished among others by the following advantages: It is a highly accurate positioning of the light-converting Microstructures, ie the conversion elements, in relation to the light-emitting regions of the semiconductor body possible. An encapsulation of the conversion elements can be done directly in the epitaxy process, so that they are particularly well against external mechanical and chemical influences
  • the conversion elements are protected. It is possible to produce a RGB LED made of purely inorganic material. It is a particularly fine pixelation possible because the distances of the conversion elements can be very small to each other.
  • the semiconductor devices may have a maximum lateral extent of at most 10 ym.
  • the conversion elements as a body at the top of the
  • Light-emitting semiconductor components described here can be surface-mountable, for example, as an SMT design. They can be used in video walls, in industrial
  • Image reproduction for example in the medical field, to be used in so-called data displays. They can be used in the automotive sector, in the armaments sector or in aircraft as so-called HUD or HMD displays.
  • Conversion element and / or the second conversion element as a microrod or formed as a nanorod.
  • Conversion elements can then, for example, order So-called core-sheath rods act, which comprise doped regions between which an active region is arranged, for example, a quantum well structure or a
  • Conversion element and / or the second conversion element epitaxially generated at the top of the semiconductor body This is not just a process feature, but also an objective feature that can be detected on the finished component.
  • no connection material such as an adhesive, is arranged between the conversion elements and the semiconductor body in this case, but the two components of the semiconductor device directly adjoin one another.
  • the lateral extent is measured in each case in a plane which is at the main extension plane of the
  • Semiconductor body runs parallel. In other words, the conversion elements are small against the semiconductor body and cover it only locally.
  • the conversion elements are not in direct contact with each other, but are only indirectly connected to each other. For example, the conversion elements are interconnected by the semiconductor body.
  • the first conversion element and / or the second conversion element are identical to each other.
  • Conversion element has, for example, a minimum lateral extent, the at least 10 nm, in particular is at least 50 nm and at most 50 ym, in particular at most 25 ym.
  • Conversion element can be at least 100 nm up to a few ym.
  • a mask is arranged between the first conversion element and the second conversion element and the semiconductor body, which has an opening in the region of each conversion element. In the area of the opening, the conversion element is on the
  • the conversion element can project beyond the opening in a lateral direction and in this way material of the mask can also be between the
  • Conversion element and the semiconductor body may be arranged.
  • Semiconductor body structured into a plurality of areas which are operable independently of each other, wherein at least one of the areas of one of the conversion elements is assigned.
  • the semiconductor body may be structured into a number of regions which is a multiple of 3.
  • one area is provided to emit blue light
  • one area is provided to emit green light
  • one area is provided to emit red light.
  • the other areas may have a first
  • the light-emitting semiconductor component can therefore be configured
  • the light-emitting comprises
  • Semiconductor device has a dielectric mirror on the
  • the dielectric mirror is provided for the reflection of the primary radiation and for the first secondary radiation and the second secondary radiation is permeable and the dielectric mirror has at least one opening which is formed for the passage of the primary radiation.
  • a dielectric mirror which may be, for example, a DBR mirror, it is possible that red, green and blue light is selectively radiated from the radiating surface of the component.
  • a matrix material is arranged between the conversion elements and the semiconductor body.
  • the conversion elements are, for example, at least one of the following conversion elements: first conversion element, second conversion element, further conversion element.
  • the matrix material is a radiation-transmissive material which is suitable for the
  • the matrix material may contain one of the following materials or be made of one of the following materials: silicone, epoxy, PMMA, COC.
  • the matrix material is arranged indirectly or directly between the semiconductor body and the conversion elements. For example, the matrix material directly adjoins the
  • the further component may be a carrier or a growth substrate for the
  • the matrix material can, in particular, for fixing the conversion elements indirectly or directly on the
  • Matrix material for adhesion-promoting in particular adhesive properties.
  • the conversion elements are preferably embedded in the matrix material. That is, the conversion elements can at least at a part of its outer surface directly to the
  • a plurality of the conversion elements is embedded in the matrix material.
  • At least one of the light-emitting semiconductor component at least one of the
  • Conversion elements in the direction of the semiconductor body is, for example, at least one of the following
  • Conversion elements first conversion element, second conversion element
  • At least one conversion element has a tip, in the direction of which the conversion element rejuvenated. That is, the cross section of the conversion element becomes smaller toward the tip.
  • the at least one conversion element can now be attached to the semiconductor body such that the conversion element tapers in the direction of the semiconductor body. In this way, the surface through which primary radiation in the
  • Conversion element occurs, be enlarged. This increases the efficiency of the conversion element.
  • Conversion elements attached to the semiconductor body are, in particular, one of the following conversion elements:
  • first conversion element second conversion element, further conversion element. That at least one
  • Conversion element is attached to the semiconductor body. That is, the conversion element is not monolithically connected to the semiconductor body in this embodiment, but between the conversion element and the
  • Semiconductor body for example, an adhesion-promoting, in particular an adhesive, material is arranged, which connects the conversion element mechanically to the semiconductor body.
  • the conversion element is in this case
  • the semiconductor component is based on the following considerations: For example, ceramic
  • Conversion elements which are in powder form, can be embedded in a matrix material and sprayed onto a semiconductor body.
  • the problem arises that the heat generated by the conversion element, due to the Stokes shift and the finite
  • Quantum efficiency of the conversion in operation arises because of the thermal properties and the geometry, for example, the thickness of the matrix material, is poorly derived.
  • the light-emitting semiconductor component heats up during operation.
  • the matrix material can turn yellow, the temperature of the
  • Semiconductor body increases in the operation of the active area and the efficiency of the conversion element decreases. The consequence of this is that the color quality, the efficiency and the lifetime of the semiconductor device are reduced.
  • the color quality of the mixed light emitted by the semiconductor component during operation should remain constant during operation, which is difficult to realize as a result of the described deteriorations.
  • the spatial extent of the beam which is radiated from the semiconductor device during operation, strongly depends on the layer thickness and thus the scattering volume of the conversion element in the matrix material.
  • a good optical image for example in Display devices, however, a high contrast ratio between the pixels, so for example, adjacent light-emitting semiconductor devices, desired.
  • the conversion elements are formed, for example, by uni-polar microrod or nanorod structures. These structures can be produced directly on the semiconductor body or attached to the semiconductor body embedded in a thin layer of the matrix material.
  • the matrix material has, for example, a thickness of at most 1 ⁇ m.
  • a further method for producing a light-emitting semiconductor component is also specified. With the method, in particular light described here
  • a growth substrate is first provided.
  • Growth substrate may be formed, for example, with sapphire.
  • the mask can be applied directly to the growth substrate. Furthermore, it is possible that at least one
  • Growth substrate and the mask is arranged.
  • the openings in the mask can be arranged regularly. The openings of the mask are then to the
  • the beads randomly disperse in a liquid medium due to surface tension effects and are then transferred as a mask, for example, to the passivation of a growth substrate.
  • a multiplicity of conversion elements are produced epitaxially on the upper side of the growth substrate in the openings of the mask.
  • the plurality of conversion elements comprises
  • Conversion elements first conversion element, second conversion element, further conversion element.
  • at least part of the conversion elements are enveloped with a matrix material. That is, the conversion elements are embedded in a matrix material described here. The thickness of the matrix material is chosen so that it
  • the thickness of the matrix material is equal to or greater than the height of the conversion elements over the mask.
  • the matrix material then has a thickness of at most 2 ⁇ m, in particular of at most 1 ⁇ m.
  • a detachment of the matrix material takes place with the enveloped one
  • Conversion elements of the growth substrate that is, the matrix material serves to detach the coated conversion elements from the growth substrate.
  • the conversion elements are removed, for example, from the growth substrate by mechanical action of force on the matrix material.
  • Matrix material can do this after wrapping the
  • Conversion elements are at least partially cured.
  • the matrix material is applied to a semiconductor body, which comprises an active region, which is designed to emit primary radiation. This can be done before or after the wrapping and detachment of the conversion elements.
  • the matrix material can be used as a first layer.
  • the matrix material can be used as a first layer.
  • Component may be, for example, a
  • Growth substrate a carrier and / or a connecting means such as an adhesive act.
  • the matrix material can be applied in a thin layer on the semiconductor body.
  • Conversion elements can then be brought into contact with this layer.
  • the conversion elements are pressed into the layer of matrix material.
  • Curing the layer, the growth substrate can be removed and the conversion elements remain in the layer.
  • the matrix material it is possible for the matrix material to be applied to the growth substrate that has been coated
  • Wax substrate are dissolved and then the detached matrix material is attached to the coated conversion elements on the semiconductor body.
  • the matrix material to be applied to a transfer substrate, for the conversion elements to be transferred to the transfer substrate, and from there to be transferred onto the semiconductor body.
  • Matrix material can be structured and can be done in this way a structured and thus partial detachment of the conversion elements.
  • conversion elements In the process, conversion elements
  • Conversion elements of a kind are present on the growth substrate and are transferred to the semiconductor body. It can then on one and the same
  • the method comprises the following steps, which are carried out in the stated order or in a different order:
  • the mask is detached together with the matrix material and applied to the semiconductor body together with the matrix material.
  • the mask remains in the finished
  • the mask can mechanically stabilize the composite of matrix material and conversion elements during transfer and after transfer. In this way, the transmission of the conversion elements on the semiconductor body can be facilitated.
  • the matrix material mediates a mechanical connection of the conversion elements to the semiconductor body.
  • Conversion elements taper in the direction of the semiconductor body.
  • the matrix material becomes
  • the matrix material itself serves as an adhesive for the attachment of the conversion elements to the semiconductor body.
  • particles are introduced into the matrix material, wherein the
  • Primary radiation and / or secondary radiation are provided.
  • the particles can, for example, before the
  • the particles are of the same size.
  • the particles are particles of a phosphor.
  • the phosphor may then be, for example, a ceramic phosphor or a Quantum dot phosphor (so-called quantum dot converter) act. In this way, the ones described here
  • the thickness of the matrix material is also possible in particular for the thickness of the matrix material to be greater than 1 ⁇ m.
  • Main extension plane of the semiconductor device then 2 ym or more.
  • a light-emitting semiconductor component described here, as well as a method described here, are distinguished, inter alia, by the following advantages:
  • the matrix material yellows less under the example, blue primary radiation and the lower operating temperature than in conventional semiconductor devices, since the matrix material can be selected to be particularly thin.
  • the temperature of the semiconductor body increases in the active
  • Conversion elements is less temperature dependent. The consequence of this is that the color quality, the efficiency and the lifetime of the semiconductor device improve. Furthermore, the light emitted by the semiconductor component has a smaller extent of the beam, which is made possible by the small layer thickness of the matrix material and thus the reduced scattering volume. This allows a good mapping, for example when using the
  • FIGS. 9A, 9B, 9C, 9D The schematic representations of FIGS. 9A, 9B, 9C, 9D,
  • Figures 9E, 9F show another embodiment of a method for producing a light described herein
  • FIGS. 10, 11, 12, 13 show further exemplary embodiments of light-emitting semiconductor components described here.
  • Semiconductor body 1 is provided, which may be present for example in the wafer composite.
  • the semiconductor body 1 comprises a first doped region 11, which may be, for example, n-doped, a second doped region 12, which may be p-doped, for example, and an active region 13, which is arranged between the two doped regions 11, 12.
  • the semiconductor body is based for example on a nitride compound semiconductor material.
  • the doped regions are based, for example, on GaN and the active one
  • Region 13 is based, for example, on InGaN / GaN multiple quantum well structures.
  • the semiconductor body comprises an upper side la and an upper side averted from the upper side lc.
  • the semiconductor body 1 is applied for example on a growth substrate 2, which may be formed for example with sapphire.
  • a mask 3 which, for example, is designed to be electrically insulating and has a first opening 31, is produced on the top side 1a of the semiconductor body 1.
  • the first opening 31 is, for example, produced lithographically.
  • a selective epitaxy step takes place with which a first conversion element 4 is produced in the region of the first opening 31 of the mask 3.
  • the first conversion element 4 is, for example, a core-shell rod.
  • the first conversion element 4 comprises a first doped region 41, a second doped region 42 and an active region 43, which has a
  • the first conversion element 4 is based on InGaN.
  • a second opening 32 is produced in the mask 3, in which a second conversion element 5 having a first doped region 51, a second doped region 52 and an active region 53 is applied by selective epitaxy.
  • the second conversion element is based on a nitride or a phosphide compound semiconductor material.
  • the first conversion element can be covered by a passivation 44, which is formed, for example, with SiO 2.
  • Passivation 44 then serves, for example, for the selective growth of the second conversion element in the second
  • a third opening 33 is produced in the mask 3, which can be covered, for example, by a light-permeable passivation 6.
  • the third opening 33 is covered by a contact element 7, which is formed for example with a TCO material and is provided for the p-side connection.
  • the second conversion element 5 can be covered with a light-permeable passivation 54, FIG. IE.
  • the passivation 6 and the passivation 54 are formed, for example, with SiO 2.
  • a semiconductor body 1 in the wafer composite which comprises a plurality of RGB units or pixels 100.
  • an emission of green light may be provided by the first conversion element 4, an emission of red light is then provided by the second conversion element 5, and blue light may be emitted in the region of the passivation 6.
  • Contact elements 71 are generated for p-side contacting, which penetrate the mask 3 and with the second doped region 12 in electrically conductive
  • Planarization 8 may be with a light-transmissive
  • Planarization 8 through, for example, by formation of vias, connected.
  • the carrier 20 may be, for example, a temporary carrier bonded by adhesive bonding.
  • the growth substrate 2 can be peeled off.
  • Connection elements 92 for example, to the n-side
  • Connection elements 92 may be pixel-wise, for example
  • Contact is pixel-wise structured, to be applied.
  • a passivation of at least the active region 30 on its side surfaces can take place.
  • a dielectric mirror 102 is applied, which is provided for the selective reflection of primary radiation B, for example, blue light.
  • Dielectric mirror 102 which is for example a DBR mirror, is permeable to the first secondary radiation G, for example green light, and the second secondary radiation R, for example red light.
  • first secondary radiation G for example green light
  • second secondary radiation R for example red light
  • Mirror 102 is provided an opening 103, this completely up to the bottom of the semiconductor body 1 lc
  • connection elements 91 for p-side contacting are described.
  • connection elements 91 for p-side contacting are described.
  • Connection elements 92 are provided for n-side contacting, which completely penetrate the planarization 8.
  • the connection element 92 for n-side contacting completely penetrates the semiconductor body 1.
  • Semiconductor component thus individual p-type contacts and a common n-contact, which is formed by the connection element 92.
  • the emission takes place through the underside of the semiconductor body 1c and on the outer surface of the passivation 8 facing away from the upper side 1a, the semiconductor component for surface mounting on a carrier, for example an IC driver, is provided.
  • a carrier for example an IC driver
  • Connection elements 91 serve to light shield the
  • Semiconductor body 1 takes place. For this purpose is at the
  • Base lc of the semiconductor body is formed a mirror, which may be, for example, a metallic mirror 101 or a dielectric mirror 102.
  • a dielectric mirror 102 is arranged which is impermeable to the primary radiation B and the first secondary radiation G and the second
  • FIG. 5 shows a contacting possibility for
  • contact elements 71 are provided for p-side contacting, which are electrically connected to the p-side terminal member 91.
  • the contact elements 71 extend through the
  • Connection elements 92 are provided which extend through the mirror 101, 102 on the underside lc of the semiconductor body
  • the component comprises individual n-side connection elements 92 and a
  • the component is surface mountable and, for example, for connecting, for example by bonding, provided on an IC driver.
  • the plated-through holes of the contact elements 71 are
  • the contact elements 71 may be T-shaped and thus prevent in addition to the dielectric mirror 102 blue light at the outlet.
  • an optical separation 104 is provided in the planarization 8, which may be formed, for example, reflective or absorbent.
  • the semiconductor device has individual n-contacts, the
  • Connection elements 92 and a common p-contact, which is formed by the connection element 91.
  • common p-contact also serves to provide good shielding of blue light in the area of the conversion elements 5, 6.
  • FIGS. 7A and 7B show an exemplary embodiment of a light-emitting component described here in the schematic sectional illustration and in the plan view of the underside of the component. There it can be seen that, for example, a common contact can be provided by the connection element 92 as well as individual contacts by the connection elements 91.
  • the conversion elements may be, for example, core-shell rods, which may be cylindrical, pyramidal or cuboidal. Furthermore, it is possible for the conversion elements to comprise active regions 43, 53 which are themselves extend over the entire cross section of the conversion element.
  • FIGS. 9A to 9F A further exemplary embodiment of a method described here will be explained in more detail in conjunction with FIGS. 9A to 9F.
  • Growth substrate 2 is provided, which may be formed for example with sapphire. At the top of the
  • Growth substrate 2 may include a semiconductor layer 112
  • the semiconductor layer 112 is, for example, a p-doped semiconductor layer, for example of p-GaN.
  • the mask 3 is applied, in which the openings 31, 32 are generated as described above.
  • the conversion elements 4, 5 are generated epitaxially in the manner described above. In this case, conversion elements, as shown in FIG. 8B
  • a transfer process is carried out by providing the matrix material 110, which supplies the conversion elements 4, 5 to their
  • the matrix material 110 may, for example, in
  • Conversion elements 4, 5 are attached to the semiconductor body 1 so that they are in the direction of
  • the mask layer 3 can then be located on the side of the semiconductor body 1 facing away from the
  • Matrix material 110 may be arranged and remain in the finished semiconductor device.
  • connection elements 91, 92 which are arranged on the bottom side of the component.
  • the n-side terminal member 91 is defined by a contact member 71, which as
  • the second connection element 92 is electrically conductively connected to the second doped region 12.
  • the vertical extension dl of the matrix material 110 may be selected to be particularly small and, for example, be at most 1 ⁇ m.
  • a further exemplary embodiment of a light-emitting semiconductor component described here is explained in greater detail.
  • the matrix material 110 is thicker here and has
  • particles 111 are introduced, which are, for example, scattering particles and / or light-converting particles.
  • FIG. 11 shows a further exemplary embodiment of light described here
  • each RGB unit 100 Semiconductor devices arranged to a display device, wherein each three of the semiconductor devices form an RGB unit 100. In addition, 100 units are included in each RGB unit
  • Conversion elements 4 for generating green light a semiconductor device having a plurality of second
  • the maximum lateral extent d2 of the semiconductor components can be in each case 10 ym or less.
  • the conversion elements 4, 5 are not applied directly to the semiconductor body 1, but to the growth substrate 2 remaining on the semiconductor body 1, which may be formed, for example, with sapphire.
  • Semiconductor component of Figure 12 is for example a sapphire flip-chip, which is designed as a volume emitter. That is, at least 30% of the electromagnetic radiation emitted by the semiconductor device during operation exits through side surfaces that are transverse or perpendicular to the
  • Main extension plane of the semiconductor device run. These side surfaces, as shown in FIG. 12, can also be embedded with the matrix material 110
  • Conversion elements 4, 5 be covered.
  • the coating of the side surfaces with the conversion elements 4, 5 is optional. Again, the thickness of the matrix material 110, so the vertical extent dl, be at most 1 ym.
  • the common carrier 20 is, for example, a connection carrier, such as a printed circuit board or a metal core board.
  • connection element 92 connection element
  • R second secondary radiation for example red light G first secondary radiation, for example, green light B primary radiation, for example, blue light

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Abstract

Es wird ein Licht emittierendes Halbleiterbauteil angegeben, mit - einem Halbleiterkörper (1) umfassend einen aktiven Bereich (13), der zur Emission einer Primärstrahlung (B) ausgebildet ist, und - einem ersten Konversionselement (4), das zur Konversion eines Teils der Primärstrahlung (B) zu einer ersten Sekundärstrahlung (G) ausgebildet ist, wobei - das erste Konversionselement (4) an einer Oberseite (1a) des Halbleiterkörpers (1) angeordnet ist, - das erste Konversionselement (4) als Körper ausgebildet ist, der den Halbleiterkörper (1) an seiner Oberseite (1a) zum Teil bedeckt, und - das erste Konversionselement (5) monolithisch mit dem Halbleiterkörper (1) verbunden ist.

Description

Beschreibung
LICHTEMITTIERENDES HALBLEITERBAUTEIL UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES LICHT EMITTIERENDEN HALBLEITERBAUTEILS
Es wird ein Licht emittierendes Halbleiterbauteil angegeben. Die Druckschrift US 2014/0070246 beschreibt ein Licht emittierendes Halbleiterbauteil.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Licht
emittierendes Halbleiterbauteil anzugeben, das besonders präzise und kostengünstig hergestellt werden kann. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Licht emittierenden
Halbleiterbauteils anzugeben.
Es wird ein Licht emittierendes Halbleiterbauteil angegeben.
Bei dem Licht emittierenden Halbleiterbauteil kann es sich beispielsweise um eine Leuchtdiode, einen Leuchtdiodenchip, einen Laser oder einen Laserdiodenchip handeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Licht emittierende Halbleiterbauteil einen Halbleiterkörper. Der Halbleiterkörper ist beispielsweise epitaktisch hergestellt. Der Halbleiterkörper umfasst einen aktiven Bereich, der zur Emission einer Primärstrahlung ausgebildet ist. Bei der Primärstrahlung handelt es sich beispielsweise um Licht aus dem Spektralbereich von UV-Strahlung bis blauem Licht.
Insbesondere ist der aktive Bereich zur Emission von blauem Licht als Primärstrahlung ausgebildet. Der aktive Bereich umfasst dazu zum Beispiel eine QuantentopfStruktur oder eine MehrfachquantentopfStruktur . Der Halbleiterkörper kann auf einem Nitrid-Verbindungshalbleiter basieren. Der aktive
Bereich basiert dann beispielsweise auf InGaN.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Licht emittierenden Halbleiterbauteils umfasst das Halbleiterbauteil ein erstes Konversionselement, das zur Konversion eines Teils der
Primärstrahlung zu einer Sekundärstrahlung ausgebildet ist. Das heißt, das Konversionselement absorbiert beispielsweise einen Teil der Primärstrahlung und reemittiert eine erste Sekundärstrahlung, die niederenergetischer ist als die
Primärstrahlung. Bei der ersten Sekundärstrahlung handelt es sich beispielsweise um grünes Licht. Das Konversionselement ist also dazu vorgesehen, durch die Primärstrahlung optisch gepumpt zu werden und Sekundärstrahlung zu emittieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Licht emittierenden Halbleiterbauteils ist das erste Konversionselement an einer Oberseite des Halbleiterkörpers angeordnet. Beispielsweise ist das erste Konversionselement auf eine Deckfläche des Halbleiterkörpers ausgebildet oder aufgebracht, welche durch eine Hauptfläche des Halbleiterkörpers gebildet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Licht emittierenden Halbleiterbauteils ist das erste Konversionselement als
Körper ausgebildet, der den Halbleiterkörper an seiner
Oberseite zum Teil bedeckt. Das heißt, bei dem ersten
Konversionselement handelt es sich um eine dreidimensionale Struktur, beispielsweise um eine Struktur, die
pyramidenförmig oder zylinderförmig oder quaderförmig
ausgebildet ist. Das erste Konversionselement überdeckt den Halbleiterkörper an dessen Oberseite dabei nicht vollständig, sondern nur zum Teil. Beispielsweise bedeckt das erste
Konversionselement einen kleinen Teil der Deckfläche an der Oberseite des Halbleiterkörpers. Beispielsweise ist die
Deckfläche höchstens zu 30 %, insbesondere höchstens zu 10 %, vom ersten Konversionselement bedeckt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Licht emittierende Halbleiterbauteil einen Halbleiterkörper mit einem aktiven Bereich, der zur Emission einer Primärstrahlung ausgebildet ist, und ein erstes Konversionselement, das zur Konversion eines Teils der Primärstrahlung zu einer ersten Sekundärstrahlung ausgebildet ist. Dabei ist das erste
Konversionselement an einer Oberseite des Halbleiterkörpers angeordnet, das erste Konversionselement ist als Körper ausgebildet, der den Halbleiterkörper an seiner Oberseite zum Teil bedeckt, und das erste Konversionselement ist mit dem Halbleiterkörper verbunden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Licht emittierenden Halbleiterbauteils umfasst das Licht emittierende
Halbleiterbauteil ein zweites Konversionselement, das zur Konversion eines Teils der Primärstrahlung zu einer zweiten Sekundärstrahlung ausgebildet ist. Das zweite
Konversionselement kann beispielsweise mit einem anderen Material wie das erste Konversionselement gebildet sein. So kann das erste Konversionselement beispielsweise auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basieren, wohingegen das zweite Konversionselement auf einem Nitrid-, Phosphid- oder Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial basieren kann. Zum Beispiel können das erste und das zweite Konversionselement jeweils auf InGaN basieren, wobei das zweite
Konversionselement zumindest stellenweise eine höhere Indium- Konzentration aufweist. Zur Erzeugung von rotem Licht kann die Indium-Konzentration im zweiten Konversionselement zum Beispiel 40 % oder mehr betragen. Das zweite Konversionselement ist an der Oberseite des
Halbleiterkörpers angeordnet und das zweite
Konversionselement ist als Körper ausgebildet, der den
Halbleiterkörper an seiner Oberseite zum Teil bedeckt. Dabei ist das zweite Konversionselement mit dem Halbleiterkörper verbunden. Die vom zweiten Konversionselement emittierte zweite Sekundärstrahlung kann insbesondere Licht eines anderen Wellenlängenbereichs umfassen als die erste
Sekundärstrahlung. Beispielsweise kann es sich bei der ersten Sekundärstrahlung um grünes Licht und bei der zweiten
Sekundärstrahlung um rotes Licht handeln.
Darüber hinaus ist es möglich, dass das Halbleiterbauteil weitere Konversionselemente umfasst, zum Beispiel mehrere erste Konversionselemente und mehrere zweite
Konversionselemente oder Konversionselemente anderer Art, die Sekundärstrahlung anderer Art, zum Beispiel bernsteinfarbenes Licht, emittieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Licht emittierenden Halbleiterbauteils ist zumindest eines der
Konversionselemente, zum Beispiel das erste
Konversionselement und/oder das zweite Konversionselement, monolithisch mit dem Halbleiterkörper verbunden. Das heißt, das zumindest eine Konversionselement und der
Halbleiterkörper können unmittelbar aneinandergrenzen.
Zwischen dem zumindest einen Konversionselement und dem
Halbleiterkörper ist beispielsweise kein weiteres Material, das weder zum Halbleiterkörper noch zum Konversionselement gehört, angeordnet und das eine Haftung zwischen dem
Konversionselement und dem Halbleiterkörper vermittelt.
Vielmehr ist das zumindest eine Konversionselement unmittelbar und in direktem Kontakt mit dem Halbleiterkörper am Halbleiterkörper befestigt.
Es wird weiter ein Verfahren zur Herstellung eines Licht emittierenden Halbleiterbauteils angegeben. Mit dem Verfahren ist insbesondere ein hier beschriebenes Licht emittierendes Halbleiterbauteil herstellbar, sodass sämtliche für das Licht emittierende Halbleiterbauteil offenbarten Merkmale auch für das Verfahren offenbart sind und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird zunächst der Halbleiterkörper bereitgestellt. Der
Halbleiterkörper kann dabei beispielsweise im Waferverbund vorliegen, wobei der Waferverbund eine Vielzahl der
Halbleiterkörper umfasst, die zum Bespiel gemeinsam
epitaktisch gewachsen sind.
In einem nächsten Verfahrensschritt wird an der Oberseite des Halbleiterkörpers eine Maske mit einer Vielzahl von Öffnungen erzeugt. Die Maske kann beispielsweise mit einem elektrisch isolierenden Material, zum Beispiel mit einem
Fotolackmaterial und/oder mit einem Siliziumoxid und/oder mit einem Siliziumnitrid, gebildet sein. Die Öffnungen können dann besonders präzise, insbesondere durch eine Fototechnik, lithografisch erzeugt werden.
Anschließend erfolgt ein epitaktisches Erzeugen einer
Vielzahl von erster und/oder zweiter Konversionselemente und/oder weiterer Konversionselemente an der Oberseite des Halbleiterkörpers in den Öffnungen der Maske. Das heißt, die Konversionselemente werden durch selektives Wachstum in den Öffnungen direkt auf dem Halbleiterkörper erzeugt. Einem hier beschriebenen Licht emittierenden
Halbleiterbauteil sowie einem hier beschriebenen Verfahren liegen dabei insbesondere die folgenden Überlegungen
zugrunde. Leuchtdioden, die beispielsweise rotes, grünes und blaues Licht erzeugen können, sogenannte RGB-LEDs, weisen feine Strukturen auf, die beispielsweise den Einsatz der Leuchtdioden als bildgebende Elemente in einer
Anzeigevorrichtung (Display) ermöglichen. Sollen die
unterschiedlichen Farben des von der Leuchtdiode erzeugten Lichts durch Konversion erzeugt werden, so müssen sehr kleine Strukturen lokal mit Konversionsmaterial belegt werden. Die genaue Positionierung von Konversionselementen stellt dabei eine große technologische Herausforderung dar. Dazu können beispielsweise Methoden, wie Pick-and-Place-Verfahren,
Sprühen oder Dispensen, Verwendung finden, die für kleine Abstände der unterschiedlichen Konversionselemente jedoch nur mit großem technischem Aufwand zu verwenden sind.
Alternativ ist es möglich, die einzelnen Emissionsbereiche einer solchen Leuchtdiode mit unterschiedlichen
Leuchtdiodenchips zu bilden, die zur Emission von blauem, grünem und rotem Licht vorgesehen sind, und beispielsweise auf Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial und Phosphid- Verbindungshalbleitermaterial basieren .
Einem hier beschriebenen Licht emittierenden
Halbleiterbauteil sowie einem hier beschriebenen Verfahren liegt die Idee zugrunde, lokale Konversionsstrukturen, die Konversionselemente, auf einem Halbleiterkörper zu erzeugen. Dazu werden auf einem Halbleiterkörper, der einen aktiven Bereich umfasst, der beispielsweise blaues Licht emittiert, durch selektive Epitaxie lokal strukturiert abgeschiedene Konversionselemente erzeugt. Das heißt, die
Konversionselemente des Licht emittierenden Halbleiterbauteils sind räumlich voneinander getrennt und lediglich durch eine andere Komponente des
Halbleiterbauteils, zum Beispiel durch den Halbleiterkörper, miteinander verbunden. Die Öffnungen in der Maske können fotolithografisch erzeugt werden, sodass die durch selektive Epitaxie hergestellten Konversionselemente mit
fotolithografischer Genauigkeit zueinander ausgerichtet und auf dem Halbleiterkörper platziert sind.
Die derart erzeugten, epitaktisch abgeschiedenen
Konversionselemente konvertieren das Licht aus der planen Grundschicht des Halbleiterkörpers, zum Beispiel an der
Oberseite des Halbleiterkörpers, in Licht anderer
Wellenlänge, das heißt in die Sekundärstrahlung. Dabei können sich die Konversionselemente an der Abstrahlseite sowie an der der Abstrahlseite gegenüberliegenden Seite des Licht emittierenden Halbleiterbauteils befinden. Die
Emissionswellenlängen der Konversionselemente können durch den Aufbau ihrer aktiven Bereiche, zum Beispiel durch den Aufbau ihrer QuantentopfStrukturen, beeinflusst werden. Dabei kann beispielsweise die Materialzusammensetzung, zum Beispiel der Indiumgehalt, und/oder die Dicke angepasst werden. Ferner kann die Emissionswellenlänge der Konversionselemente durch Gitterverspannungen und den sogenannten Quantum Confined Stark Effect beeinflusst werden. Darüber hinaus ergibt sich eine Möglichkeit zur Beeinflussung der Emissionswellenlänge durch die Auswahl der Kristallebenen, welche die
Konversionselemente nach außen begrenzen.
Ein hier beschriebenes Licht emittierendes Halbleiterbauteil sowie ein hier beschriebenes Verfahren zeichnen sich dabei unter anderem durch die folgenden Vorteile aus: Es ist eine hochgenaue Positionierbarkeit der lichtkonvertierenden Mikrostrukturen, also der Konversionselemente, in Bezug auf die Licht emittierenden Bereiche des Halbleiterkörpers möglich. Eine Verkapselung der Konversionselemente kann direkt im Epitaxieprozess erfolgen, sodass diese besonders gut gegen äußere mechanische und chemische Einflüsse
geschützt sind. Es besteht die Möglichkeit zur Herstellung einer RGB-LED aus rein anorganischem Material. Es ist eine besonders feine Pixelierung möglich, da die Abstände der Konversionselemente sehr klein zueinander gewählt werden können. Zum Beispiel können die Halbleiterbauteile eine maximale laterale Erstreckung von höchstens 10 ym aufweisen. Die Konversionselemente als Körper an der Oberseite des
Halbleiterkörpers können die Auskoppeleigenschaften
verbessern, indem beispielsweise die Wahrscheinlichkeit für Totalreflexion beim Lichtaustritt reduziert ist.
Hier beschriebene Licht emittierende Halbleiterbauteile können beispielsweise als SMT-Bauform oberflächenmontierbar sein. Sie können in Videowänden, in der industriellen
Bildwiedergabe, beispielsweise im medizinischen Bereich, bei sogenannten Data-Displays eingesetzt werden. Sie können im Kraftfahrzeugbereich, im Rüstungsbereich oder in Flugzeugen als sogenannte HUD- oder HMD-Displays Verwendung finden.
Die folgenden Ausführungsformen beziehen sich sowohl auf hier beschriebene Licht emittierende Halbleiterbauteile sowie auf hier beschriebene Verfahren zur Herstellung von Licht
emittierenden Halbleiterbauteilen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind das erste
Konversionselement und/oder das zweite Konversionselement als Mikrorod oder als Nanorod ausgebildet. Bei den
Konversionselementen kann es sich dann beispielsweise um sogenannte Kern-Hülle-Stäbe handeln, welche dotierte Bereiche umfassen, zwischen denen ein aktiver Bereich angeordnet ist, der beispielsweise eine QuantentopfStruktur oder eine
MehrfachquantentopfStruktur umfasst .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das erste
Konversionselement und/oder das zweite Konversionselement epitaktisch an der Oberseite des Halbleiterkörpers erzeugt. Dabei handelt es sich nicht nur um ein Verfahrensmerkmal, sondern ebenso um ein gegenständliches Merkmal, welches am fertigen Bauteil nachgewiesen werden kann. Insbesondere ist zwischen den Konversionselementen und dem Halbleiterkörper in diesem Fall kein Verbindungsmaterial, wie beispielsweise ein Klebstoff, angeordnet, sondern die beiden Komponenten des Halbleiterbauteils grenzen direkt aneinander.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das erste
Konversionselement und/oder das zweite Konversionselement eine maximale laterale Erstreckung auf, die klein ist gegen die maximale laterale Erstreckung des Halbleiterkörpers.
Beispielsweise wird die laterale Erstreckung jeweils in einer Ebene gemessen, die zur Haupterstreckungsebene des
Halbleiterkörpers parallel verläuft. Mit anderen Worten sind die Konversionselemente klein gegen den Halbleiterkörper und bedecken diesen nur lokal. Die Konversionselemente befinden sich nicht in direktem Kontakt zueinander, sondern sind nur mittelbar miteinander verbunden. Beispielsweise sind die Konversionselemente durch den Halbleiterkörper miteinander verbunden .
Das erste Konversionselement und/oder das zweite
Konversionselement weist zum Beispiel eine minimale laterale Erstreckung auf, die wenigstens 10 nm, insbesondere wenigstens 50 nm und höchstens 50 ym, insbesondere höchstens 25 ym beträgt. Die vertikale Erstreckung des
Konversionselements kann wenigstens 100 nm bis hin zu einigen ym betragen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zwischen dem ersten Konversionselement und dem zweiten Konversionselement sowie dem Halbleiterkörper eine Maske angeordnet, die im Bereich eines jeden Konversionselements eine Öffnung aufweist. Im Bereich der Öffnung ist das Konversionselement auf dem
Halbleiterkörper erzeugt. Das Konversionselement kann dabei in einer lateralen Richtung die Öffnung überragen und auf diese Weise kann Material der Maske auch zwischen dem
Konversionselement und dem Halbleiterkörper angeordnet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der
Halbleiterkörper in mehrere Bereiche strukturiert, die unabhängig voneinander betreibbar sind, wobei zumindest einem der Bereiche eines der Konversionselemente zugeordnet ist. Beispielsweise kann der Halbleiterkörper in eine Anzahl von Bereiche strukturiert sein, die ein Vielfaches von 3 ist. Dabei ist jeweils ein Bereich dazu vorgesehen, blaues Licht zu emittieren, ein Bereich ist dazu vorgesehen, grünes Licht zu emittieren und ein Bereich ist dazu vorgesehen, rotes Licht zu emittieren. Beispielsweise ist im Bereich des
Halbleiterkörpers, der zur Emission von blauem Licht
vorgesehen ist, kein Konversionselement diesem Bereich zugeordnet. Den anderen Bereichen können ein erstes
Konversionselement und ein zweites Konversionselement zugeordnet sein.
Das Licht emittierende Halbleiterbauteil kann also
insbesondere zur Emission von blauem, grünem und rotem Licht ausgebildet sein, wobei es möglich ist, dass Licht unterschiedlicher Farbe unabhängig voneinander emittiert werden kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Licht emittierenden Halbleiterbauteils umfasst das Licht emittierende
Halbleiterbauteil einen dielektrischen Spiegel an der
Oberseite oder an einer der Oberseite abgewandten Unterseite des Halbleiterkörpers, wobei der dielektrische Spiegel zur Reflexion der Primärstrahlung vorgesehen ist und für die erste Sekundärstrahlung und die zweite Sekundärstrahlung durchlässig ist und der dielektrische Spiegel zumindest eine Öffnung aufweist, die zum Durchlass der Primärstrahlung ausgebildet ist. Mit einem solchen dielektrischen Spiegel, bei dem es sich beispielsweise um einen DBR-Spiegel handeln kann, ist es möglich, dass rotes, grünes und blaues Licht selektiv von der Abstrahlfläche des Bauteils abgestrahlt wird .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Licht emittierenden Halbleiterbauteils ist zwischen den Konversionselementen und dem Halbleiterkörper ein Matrixmaterial angeordnet. Bei den Konversionselementen handelt es sich beispielsweise um zumindest eines der folgenden Konversionselemente: erstes Konversionselement, zweites Konversionselement, weiteres Konversionselement. Bei dem Matrixmaterial handelt es sich um ein strahlungsdurchlässiges Material, welches für die
Primärstrahlung oder zumindest eine der Sekundärstrahlungen durchlässig, insbesondere transparent ist. Zum Beispiel kann das Matrixmaterial eines der folgenden Materialien enthalten oder aus einem der folgenden Materialien bestehen: Silikon, Epoxid, PMMA, COC . Das Matrixmaterial ist mittelbar oder unmittelbar zwischen dem Halbleiterkörper und den Konversionselementen angeordnet. Beispielsweise grenzt das Matrixmaterial direkt an den
Halbleiterkörper. Ferner ist es möglich, dass zwischen dem Matrixmaterial und dem Halbleiterkörper eine weitere
Komponente des Licht emittierenden Halbleiterbauteils
angeordnet ist, die mit dem Halbleiterkörper verbunden ist. Beispielsweise kann es sich bei der weiteren Komponente um einen Träger oder ein Aufwachssubstrat für den
Halbleiterkörper handeln.
Das Matrixmaterial kann insbesondere zur Befestigung der Konversionselemente mittelbar oder unmittelbar am
Halbleiterkörper dienen. Beispielsweise weist das
Matrixmaterial dafür haftvermittelnde, insbesondere klebende, Eigenschaften auf.
Die Konversionselemente sind bevorzugt in das Matrixmaterial eingebettet. Das heißt, die Konversionselemente können zumindest an einem Teil ihrer Außenfläche direkt an das
Matrixmaterial grenzen und von diesem umgeben sein.
Beispielsweise ist eine Vielzahl der Konversionselemente in das Matrixmaterial eingebettet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Licht emittierenden Halbleiterbauteils verjüngt sich zumindest eines der
Konversionselemente in Richtung zum Halbleiterkörper hin. Bei dem zumindest einen der Konversionselemente handelt es sich beispielsweise um zumindest eines der folgenden
Konversionselemente: erstes Konversionselement, zweites
Konversionselement, weiteres Konversionselement. Das
zumindest eine Konversionselement weist beispielsweise eine Spitze auf, in deren Richtung sich das Konversionselement verjüngt. Das heißt, der Querschnitt des Konversionselements wird in Richtung der Spitze geringer. Das zumindest eine Konversionselement kann nun derart am Halbleiterkörper befestigt sein, dass sich das Konversionselement in Richtung zum Halbleiterkörper hin verjüngt. Auf diese Weise kann die Fläche, durch welche Primärstrahlung in das
Konversionselement eintritt, vergrößert sein. Dies erhöht die Effizienz des Konversionselements.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Licht emittierenden Halbleiterbauteils ist zumindest eines der
Konversionselemente am Halbleiterkörper befestigt. Bei dem zumindest einen der Konversionselemente handelt es sich insbesondere um eines der folgenden Konversionselemente:
erstes Konversionselement, zweites Konversionselement, weiteres Konversionselement. Das zumindest eine
Konversionselement ist am Halbleiterkörper befestigt. Das heißt, das Konversionselement ist in dieser Ausführungsform nicht monolithisch mit dem Halbleiterkörper verbunden, sondern zwischen dem Konversionselement und dem
Halbleiterkörper ist beispielsweise ein haftvermittelndes, insbesondere ein klebendes, Material angeordnet, welches das Konversionselement mechanisch mit dem Halbleiterkörper verbindet. Das Konversionselement ist in diesem Fall
unabhängig vom Halbleiterkörper hergestellt und durch einen Transferprozess auf diesen aufgebracht. Dadurch ist es im Vergleich mit einer monolithischen Verbindung des zumindest einen Konversionselements mit dem Halbleiterkörper möglich, die Herstellung des Konversionselements variabler zu
gestalten. Das heißt, hinsichtlich beispielsweise der
Materialauswahl, der Form und der Größe des zumindest einen Konversionselements ergeben sich mehr Freiheitsgrade als dies bei einem direkten Aufwachsen des Konversionselements auf dem Halbleiterkörper möglich ist.
Einem hier beschriebenen Licht emittierenden
Halbleiterbauteil liegen dabei unter anderem die folgenden Überlegungen zugrunde: Zum Beispiel keramische
Konversionselemente, die in Pulverform vorliegen, können in ein Matrixmaterial eingebettet und auf einen Halbleiterkörper gesprüht werden. Bei dieser Konfiguration ergibt sich das Problem, dass die vom Konversionselement erzeugte Wärme, die aufgrund der Stokesverschiebung und der endlichen
Quanteneffizienz der Konversion im Betrieb entsteht, wegen der thermischen Eigenschaften und der Geometrie, zum Beispiel der Dicke des Matrixmaterials, schlecht abgeleitet wird.
Dadurch erwärmt sich das Licht emittierende Halbleiterbauteil im Betrieb.
Diese Erwärmung hat verschiedene negative Auswirkungen: Das Matrixmaterial kann vergilben, die Temperatur des
Halbleiterkörpers steigt im Betrieb des aktiven Bereichs und die Effizienz des Konversionselements sinkt ab. Die Folge daraus ist, dass sich die Farbqualität, die Effizienz und die Lebensdauer des Halbleiterbauteils verringern. Die
Farbqualität des vom Halbleiterbauteil im Betrieb emittierten Mischlichts soll jedoch im Betrieb konstant bleiben, was infolge der erläuterten Verschlechterungen schwierig zu realisieren ist.
Ferner wurde festgestellt, dass die räumliche Ausdehnung des Strahlbündels, welches vom Halbleiterbauteil im Betrieb abgestrahlt wird, stark von der Schichtdicke und damit dem Streuvolumen des Konversionselements im Matrixmaterial abhängt. Für eine gute optische Abbildung, zum Beispiel in Anzeigevorrichtungen, ist jedoch ein hohes Kontrastverhältnis zwischen den Pixeln, also beispielsweise benachbarter Licht emittierender Halbleiterbauteile, erwünscht.
Ferner ergeben sich für Konversionselemente in Pulverform, welche in ein Matrixmaterial eingebracht sind, Probleme bei der Überformung räumlicher Strukturen sowie bei der räumlich exakten Positionierung auf kleinen Halbleiterkörpern. Dies ist insbesondere aufgrund von Schwankungen der Dichte der pulverförmigen Konversionselemente im Matrixmaterial der Fall. Beim hier beschriebenen Licht emittierenden
Halbleiterbauteil kann dieses Problem gelöst werden, da die Konversionselemente als Körper ausgebildet sind, die
beispielsweise in regelmäßigen Abständen zueinander
hergestellt und angeordnet werden können. Diese regelmäßig beabstandeten Körper können dann in geordneter Weise mit dem Halbleiterkörper verbunden werden.
Die Konversionselemente sind beispielsweise durch uni-polare Mikrorod- oder Nanorod-Strukturen gebildet. Diese Strukturen können direkt auf dem Halbleiterkörper hergestellt werden oder eingebettet in eine dünne Schicht des Matrixmaterials am Halbleiterkörper befestigt werden. Das Matrixmaterial weist dabei beispielsweise eine Dicke von höchstens 1 ym auf.
Es wird ferner ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Licht emittierenden Halbleiterbauteils angegeben. Mit dem Verfahren können insbesondere hier beschriebene Licht
emittierende Halbleiterbauteile hergestellt werden. Das heißt, sämtliche für die Halbleiterbauteile beschriebenen Merkmale sind auch für das Verfahren offenbart und umgekehrt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird zunächst ein Aufwachssubstrat bereitgestellt. Das
Aufwachssubstrat kann beispielsweise mit Saphir gebildet sein .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine wie oben beschriebene Maske mit einer Vielzahl von
Öffnungen an der Oberseite des Aufwachssubstrats erzeugt. Die Maske kann dabei direkt auf das Aufwachssubstrat aufgebracht werden. Ferner ist es möglich, dass zumindest eine
epitaktisch gewachsene Halbleiterschicht zwischen dem
Aufwachssubstrat und der Maske angeordnet ist. Die Öffnungen in der Maske können beispielsweise regelmäßig angeordnet werden. Die Öffnungen der Maske sind dann an den
Knotenpunkten eines regelmäßigen, zweidimensionalen Gitters angeordnet. Alternativ ist es möglich, dass die Öffnungen der Maske zufällig angeordnet werden. Eine zufällige Anordnung der Öffnungen ergibt sich beispielsweise aus einer
Schattenmaskentechnik mit Polystyrolkügelchen. Dabei
verteilen sich die Kügelchen in einem flüssigen Medium aufgrund von Oberflächenspannungseffekten zufällig und werden anschließend als Maske beispielsweise auf die Passivierung eines Aufwachssubstrats übertragen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine Vielzahl von Konversionselementen an der Oberseite des Aufwachssubstrats in den Öffnungen der Maske epitaktisch erzeugt. Die Vielzahl der Konversionselemente umfasst
beispielsweise zumindest eines der folgenden
Konversionselemente: erstes Konversionselement, zweites Konversionselement, weiteres Konversionselement. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird zumindest ein Teil der Konversionselemente, beispielsweise auch alle Konversionselemente, mit einem Matrixmaterial umhüllt. Das heißt, die Konversionselemente werden in ein hier beschriebenes Matrixmaterial eingebettet. Die Dicke des Matrixmaterials wird dabei so gewählt, dass es die
Konversionselemente an ihrer dem Aufwachssubstrat abgewandten Seite überdeckt. Das heißt, die Dicke des Matrixmaterials ist gleich oder größer als die Höhe der Konversionselemente über der Maske. Beispielsweise weist das Matrixmaterial dann eine Dicke von höchstens 2 ym, insbesondere von höchstens 1 ym auf .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt ein Ablösen des Matrixmaterials mit den umhüllten
Konversionselementen vom Aufwachssubstrat . Das heißt, das Matrixmaterial dient dazu, die umhüllten Konversionselemente vom Aufwachssubstrat abzulösen. Die Konversionselemente werden beispielsweise durch mechanische Krafteinwirkung auf das Matrixmaterial vom Aufwachssubstrat entfernt. Das
Matrixmaterial kann dazu nach dem Umhüllen der
Konversionselemente zumindest teilweise ausgehärtet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Matrixmaterial an einem Halbleiterkörper, der einen aktiven Bereich umfasst, der zur Emission einer Primärstrahlung ausgebildet ist, aufgebracht. Dies kann vor oder nach dem Umhüllen und Ablösen der Konversionselemente geschehen.
Beispielsweise kann das Matrixmaterial dabei als
Haftvermittler zwischen dem Halbleiterkörper und den
Konversionselementen dienen. Alternativ ist es möglich, dass wenigstens eine weitere Komponente zwischen dem
Halbleiterkörper und dem Matrixmaterial mit den abgelösten Konversionselementen angeordnet ist. Bei der weiteren
Komponente kann es sich beispielsweise um ein
Aufwachssubstrat, einen Träger und/oder ein Verbindungsmittel wie beispielsweise einen Klebstoff handeln.
Die Übertragung des Matrixmaterials mit den umhüllten
Konversionselementen kann bei diesem Verfahren auf
unterschiedliche Weise erfolgen. Zum Beispiel kann eine direkte Übertragung von dem Aufwachssubstrat auf den
Halbleiterkörper erfolgen. Dazu kann das Matrixmaterial in einer dünnen Schicht auf dem Halbleiterkörper aufgebracht werden. Die noch am Aufwachssubstrat befestigten
Konversionselemente können dann mit dieser Schicht in Kontakt gebracht werden. Zum Beispiel werden die Konversionselemente in die Schicht aus Matrixmaterial eingedrückt. Nach dem
Aushärten der Schicht kann das Aufwachssubstrat entfernt werden und die Konversionselemente verbleiben in der Schicht.
Alternativ ist es möglich, dass das Matrixmaterial auf das Aufwachssubstrat aufgebracht wird, die umhüllten
Konversionselemente mit dem Matrixmaterial vom
Aufwachssubstrat gelöst werden und nachfolgend das abgelöste Matrixmaterial mit den umhüllten Konversionselementen am Halbleiterkörper befestigt wird.
Schließlich ist es möglich, dass das Matrixmaterial auf einem Transfersubstrat aufgebracht wird, die Konversionselemente auf das Transfersubstrat übertragen werden und von dort eine Übertragung auf den Halbleiterkörper erfolgt. Dieses
Verfahren hat den Vorteil, dass die Schicht des
Matrixmaterials strukturiert sein kann und auf diese Weise ein strukturiertes und damit auch partielles Ablösen der Konversionselemente erfolgen kann. Bei dem Verfahren können Konversionselemente
unterschiedlicher Art auf einem einzigen Aufwachssubstrat vorhanden sein und von diesem auf den Halbleiterkörper übertragen werden. Ferner ist es möglich, dass nur
Konversionselemente einer Art auf dem Aufwachssubstrat vorhanden sind und auf den Halbleiterkörper übertragen werden. Dabei können dann auf ein und denselben
Halbleiterkörper auch Konversionselemente unterschiedlicher Art, die auf unterschiedlichen Aufwachssubstraten vorhanden sind, übertragen werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die folgenden Schritte, die in der angegebenen Reihenfolge oder in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden:
Bereitstellen eines Aufwachssubstrats ,
Erzeugen einer Maske mit einer Vielzahl von Öffnungen an der Oberseite des Aufwachssubstrats ,
epitaktisches Erzeugen einer Vielzahl von
Konversionselementen an der Oberseite des Aufwachssubstrats in den Öffnungen der Maske,
Umhüllen zumindest eines Teils der Konversionselemente mit einem Matrixmaterial,
Ablösen des Matrixmaterials vom Aufwachssubstrat,
Aufbringen des Matrixmaterials an einem Halbleiterkörper umfassend einen aktiven Bereich, der zur Emission einer Primärstrahlung ausgebildet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Maske zusammen mit dem Matrixmaterial abgelöst und zusammen mit dem Matrixmaterial am Halbleiterkörper aufgebracht. In dieser Ausführungsform verbleibt die Maske im fertigen
Bauteil. Sie kann dem Halbleiterkörper zugewandt oder abgewandt sein. Ferner verbleibt die Öffnung, in welcher jeweils eines der Konversionselemente hergestellt ist, im fertiggestellten Halbleiterbauteil. Die Maske kann dabei den Verbund aus Matrixmaterial und Konversionselementen beim Übertragen und nach dem Übertragen mechanisch stabilisieren. Auf diese Weise kann das Übertragen der Konversionselemente auf dem Halbleiterkörper erleichtert sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens
vermittelt das Matrixmaterial eine mechanische Verbindung der Konversionselemente am Halbleiterkörper. Dies kann
beispielsweise dadurch erreicht sein, dass das Matrixmaterial dem Halbleiterkörper nach dem Übertragen zugewandt ist. In diesem Fall ist es insbesondere möglich, dass sich die
Konversionselemente, wie oben beschrieben, in Richtung des Halbleiterkörpers verjüngen. Das Matrixmaterial wird
beispielsweise vor dem Übertragen nicht vollständig
ausgehärtet oder vor dem Übertragen auf dem Halbleiterkörper aufgebracht. Auf diese Weise dient das Matrixmaterial selbst als Haftmittel für die Befestigung der Konversionselemente am Halbleiterkörper .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden Partikel in das Matrixmaterial eingebracht, wobei die
Partikel zur Streuung und/oder zur Konversion von der
Primärstrahlung und/oder einer Sekundärstrahlung vorgesehen sind. Die Partikel können dabei beispielsweise vor dem
Aufbringen des Matrixmaterials auf den Halbleiterkörper eingebracht werden. Bei den Partikeln handelt es sich
beispielsweise um Licht streuende Partikel, die mit
Materialien wie Si02 oder Ti02 gebildet sind. Ferner ist es möglich, dass es sich bei den Partikeln um Partikel eines Leuchtstoffs handelt. Bei dem Leuchtstoff kann es sich dann beispielsweise um einen keramischen Leuchtstoff oder um einen Quantenpunkt-Leuchtstoff (sogenannter Quantendot-Konverter) handeln. Auf diese Weise können die hier beschriebenen
Konversionselemente mit konventionelleren
Konversionselementen kombiniert werden. Für den Fall, dass Partikel in das Matrixmaterial eingebracht sind, ist es insbesondere auch möglich, dass die Dicke des Matrixmaterials größer als 1 ym gewählt wird. Beispielsweise kann die Dicke des Matrixmaterials in einer Richtung senkrecht zur
Haupterstreckungsebene des Halbleiterbauteils dann 2 ym oder mehr betragen.
Ein hier beschriebenes Licht emittierendes Halbleiterbauteil sowie ein hier beschriebenes Verfahren zeichnen sich dabei unter anderem durch die folgenden Vorteile aus:
Aufgrund der geringen Dicke des Matrixmaterials ist es möglich, die im Betrieb erzeugte Wärme besonders effizient abzuleiten. Die Verwendung der hier beschriebenen
Konversionselemente verbessert zudem die thermischen
Eigenschaften, da im Betrieb weniger Wärme erzeugt wird als dies für herkömmliche, zum Beispiel keramische Leuchtstoffe der Fall ist.
Das Matrixmaterial vergilbt unter der beispielsweise blauen Primärstrahlung und der geringeren Betriebstemperatur weniger stark als bei konventionellen Halbleiterbauteilen, da das Matrixmaterial besonders dünn gewählt werden kann.
Die Temperatur des Halbleiterkörpers steigt im aktiven
Bereich weniger stark und die Effizienz der
Konversionselemente ist weniger temperaturabhängig. Die Folge daraus ist, dass sich die Farbqualität, die Effizienz und die Lebensdauer des Halbleiterbauteils verbessern. Ferner weist das vom Halbleiterbauteil abgestrahlte Licht eine geringere Ausdehnung des Strahlenbündels auf, was durch die geringe Schichtdicke des Matrixmaterials und damit das verringerte Streuvolumen ermöglicht ist. Dies erlaubt eine gute Abbildung, zum Beispiel beim Einsatz des
Halbleiterbauteils in einer Anzeigevorrichtung - etwa in einem Mikrodisplay. Ferner ist dadurch ein besonders hohes Kontrastverhältnis ermöglicht.
Weiter ist durch das hier beschriebene Verfahren eine
räumlich besonders genaue Positionierung von lokalen
Konversionsbereichen in exakt gleichbleibender Weise und Dichtekonzentration auf Halbleiterkörpern möglich.
Im Folgenden werden das hier beschriebene Licht emittierende Halbleiterbauteil sowie das hier beschriebene Verfahren anhand von Ausführungsbeispielen und den zugehörigen Figuren näher erläutert.
In Verbindung mit den Figuren 1A, 1B, IC, ID, IE, 1F, IG, 1H,
II, 1J, 1K, 1L werden Ausführungsbeispiele eines hier
beschriebenen Verfahrens anhand von schematischen
Schnittdarstellungen näher erläutert.
Anhand der schematischen Schnittdarstellungen der Figuren 2, 3, 4, 5, 6, 7A, 7B, 8A, 8B sind Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen Licht emittierenden Halbleiterbauteilen sowie von hier beschriebenen Verfahren näher erläutert.
Die schematischen Darstellungen der Figuren 9A, 9B, 9C, 9D,
9E, 9F zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Verfahrens zur Herstellung eines Licht
emittierenden Halbleiterbauteils . Die schematischen Darstellungen der Figuren 10, 11, 12, 13 zeigen weitere Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen Licht emittierenden Halbleiterbauteilen.
Anhand der grafischen Darstellungen der Figuren 14 und 15 sind Vorteile von hier beschriebenen Licht emittierenden Halbleiterbauteilen näher erläutert.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren
dargestellten Elemente untereinander sind nicht als
maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere
Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
In Verbindung mit den Figuren 1A bis 1L sind
Ausführungsbeispiele eines hier beschriebenen Verfahrens anhand von schematischen Schnittdarstellungen näher
erläutert. Bei dem Verfahren wird zunächst ein
Halbleiterkörper 1 bereitgestellt, der beispielsweise im Waferverbund vorliegen kann. Der Halbleiterkörper 1 umfasst einen ersten dotierten Bereich 11, der beispielsweise n- dotiert sein kann, einen zweiten dotierten Bereich 12, der beispielsweise p-dotiert sein kann, und einen aktiven Bereich 13, der zwischen den beiden dotierten Bereichen 11, 12 angeordnet ist. Der Halbleiterkörper basiert beispielsweise auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial. Die dotierten Bereiche basieren beispielsweise auf GaN und der aktive
Bereich 13 basiert beispielsweise auf InGaN/GaN- MehrfachquantentopfStrukturen . Der Halbleiterkörper umfasst eine Oberseite la und eine der Oberseite abgewandte Unterseite lc. Der Halbleiterkörper 1 ist beispielsweise auf einem Aufwachssubstrat 2 aufgebracht, das beispielsweise mit Saphir gebildet sein kann.
In einem nächsten Verfahrensschritt, Figur 1B, wird eine Maske 3, die beispielsweise elektrisch isolierend ausgebildet ist und eine erste Öffnung 31 aufweist, an der Oberseite la des Halbleiterkörpers 1 erzeugt. Die erste Öffnung 31 ist zum Beispiel lithografisch erzeugt. Es erfolgt ein selektiver Epitaxieschritt, mit dem ein erstes Konversionselement 4 im Bereich der ersten Öffnung 31 der Maske 3 erzeugt wird.
Vorliegend handelt es sich bei dem ersten Konversionselement 4 beispielsweise um einen Kern-Hülle-Stab („core-shell rod") . Das erste Konversionselement 4 umfasst einen ersten dotierten Bereich 41, einen zweiten dotierten Bereich 42 und einen aktiven Bereich 43, der eine QuantentopfStruktur oder eine MehrfachquantentopfStruktur umfassen kann. Beispielsweise basiert das erste Konversionselement 4 auf InGaN.
In einem nachfolgenden Verfahrensschritt, Figur IC, wird eine zweite Öffnung 32 in der Maske 3 erzeugt, in der ein zweites Konversionselement 5 mit einem ersten dotierten Bereich 51, einem zweiten dotierten Bereich 52 und einem aktiven Bereich 53 durch selektive Epitaxie aufgebracht wird. Beispielsweise basiert das zweite Konversionselement auf einem Nitrid- oder einem Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial . Ferner kann das erste Konversionselement durch eine Passivierung 44 bedeckt werden, die zum Beispiel mit Si02 gebildet ist. Die
Passivierung 44 dient dann zum Beispiel dazu, das selektive Wachstum des zweiten Konversionselements in der zweiten
Öffnung 32 zu ermöglichen. Im nächsten Verfahrensschritt, Figur ID, wird eine dritte Öffnung 33 in der Maske 3 erzeugt, die beispielsweise durch eine Licht durchlässige Passivierung 6 abgedeckt werden kann. Alternativ ist es möglich, dass die dritte Öffnung 33 von einem Kontaktelement 7 abgedeckt wird, das zum Beispiel mit einem TCO-Material gebildet ist und zum p-seitigen Anschluss vorgesehen ist. Das zweite Konversionselement 5 kann mit einer Licht durchlässigen Passivierung 54 abgedeckt werden, Figur IE. Die Passivierung 6 und die Passivierung 54 sind zum Beispiel mit Si02 gebildet.
In der schematischen Schnittdarstellung der Figur 1F ist ein Halbleiterkörper 1 im Waferverbund gezeigt, der mehrere RGB- Einheiten oder Pixel 100 umfasst. Beispielsweise kann vom ersten Konversionselement 4 her eine Emission von grünem Licht vorgesehen sein, vom zweiten Konversionselement 5 her ist dann eine Emission von rotem Licht vorgesehen und im Bereich der Passivierung 6 kann blaues Licht emittiert werden .
Im nächsten Verfahrensschritt, Figur IG, können
Kontaktelemente 71 zur p-seitigen Kontaktierung erzeugt werden, welche die Maske 3 durchdringen und sich mit dem zweiten dotierten Bereich 12 in elektrisch leitfähigem
Kontakt befinden.
Nachfolgend, Figur 1H, wird eine Planarisierung 8 an der Oberseite 1A des Halbleiterkörpers 1 aufgebracht, welche die Konversionselemente 4, 5 vollständig überdeckt. Die
Planarisierung 8 kann mit einem für Licht durchlässigen
Kunststoffmaterial oder Silikon gebildet sein. Im nächsten Verfahrensschritt, Figur II, ist es optional möglich, dass Anschlusselemente 91 zur p-seitigen
Kontaktierung mit den Kontaktelementen 71 durch die
Planarisierung 8 hindurch, zum Beispiel durch Bildung von Durchkontaktierungen, verbunden werden.
Im nachfolgenden Verfahrensschritt, Figur 1J, wird ein Träger 20 über eine Verbindungsschicht 21 mit der
Planarisierungsschicht 8 verbunden. Bei dem Träger 20 kann es sich beispielsweise um einen durch Kleben angebundenen temporären Träger handeln. Das Aufwachssubstrat 2 kann abgelöst werden.
Im nächsten Verfahrensschritt, Figur 1K, erfolgt eine
Strukturierung des Halbleiterkörpers 1 in Bereiche lb mittels Gräben 30, die sich teilweise oder vollständig durch den Halbleiterkörper 1 von der Unterseite lc in Richtung der Oberseite la erstrecken können.
Im nächsten Verfahrensschritt, Figur 1L, können
Anschlusselemente 92, die beispielsweise zur n-seitigen
Kontaktierung vorgesehen sind, aufgebracht werden. Die
Anschlusselemente 92 können beispielsweise pixelweise
strukturiert mittig, lateral platziert mit einem Loch zur Lichtauskopplung oder ganzflächig, falls der p-leitende
Kontakt pixelweise strukturiert ist, aufgebracht werden.
Im Bereich der Gräben 30 kann eine Passivierung zumindest des aktiven Bereichs 30 an dessen Seitenflächen erfolgen.
In Verbindung mit der Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Licht emittierenden
Halbleiterbauteils gezeigt, bei dem anstelle der Passivierungen 44, 54 und 6 oder auf diese Passivierungen ein metallischer Spiegel 101 aufgebracht ist, der zur Reflexion von Licht vorgesehen ist. An der Unterseite des
Halbleiterkörpers lc ist ein dielektrischer Spiegel 102 aufgebracht, der zur selektiven Reflexion von Primärstrahlung B, zum Beispiel von blauem Licht, vorgesehen ist. Der
dielektrische Spiegel 102, bei dem es sich beispielsweise um einen DBR-Spiegel handelt, ist durchlässig für die erste Sekundärstrahlung G, zum Beispiel grünes Licht, und die zweite Sekundärstrahlung R, zum Beispiel rotes Licht. Zum Durchtritt der Primärstrahlung B ist im dielektrischen
Spiegel 102 eine Öffnung 103 vorgesehen, die diesen bis zur Unterseite lc des Halbleiterkörpers 1 hin vollständig
durchdringt .
In Verbindung mit der Figur 3 ist eine mögliche Kontaktierung für das Halbleiterbauteil der Figur 2 beschrieben. Dabei sind Anschlusselemente 91 zur p-seitigen Kontaktierung und
Anschlusselemente 92 zur n-seitigen Kontaktierung vorgesehen, welche die Planarisierung 8 vollständig durchdringen. Das Anschlusselement 92 zur n-seitigen Kontaktierung durchdringt dabei den Halbleiterkörper 1 vollständig. In diesem
Ausführungsbeispiel umfasst das Licht emittierende
Halbleiterbauteil also individuelle p-Kontakte und einen gemeinsamen n-Kontakt, der durch das Anschlusselement 92 gebildet ist. Die Emission erfolgt durch die Unterseite des Halbleiterkörpers lc und an der der Oberseite la abgewandten Außenfläche der Passivierung 8 ist das Halbleiterbauteil zur Oberflächenmontage auf einem Träger, beispielsweise einem IC- Treiber, vorgesehen. Die Durchkontaktierungen der
Anschlusselemente 91 dienen zur Lichtabschirmung der
einzelnen Bereiche lb des Halbleiterkörpers, die durch passivierte Gräben 30 voneinander getrennt sind und damit unabhängig voneinander betreibbar sind.
In Verbindung mit der Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der Figur 2 eine Abstrahlung von der Oberseite la des
Halbleiterkörpers 1 erfolgt. Zu diesem Zweck ist an der
Unterseite lc des Halbleiterkörpers ein Spiegel ausgebildet, bei dem es sich beispielsweise um einen metallischen Spiegel 101 oder um einen dielektrischen Spiegel 102 handeln kann. An der der Oberseite des Halbleiterkörpers la abgewandten Seite der Planarisierung 8 ist ein dielektrischer Spiegel 102 angeordnet, der für die Primärstrahlung B undurchlässig ist und die erste Sekundärstrahlung G sowie die zweite
Sekundärstrahlung R durchlässt.
Die Figur 5 zeigt eine Kontaktierungsmöglichkeit zum
Ausführungsbeispiel der Figur 4. Dort sind Kontaktelemente 71 zur p-seitigen Kontaktierung vorgesehen, die mit dem p- seitigen Anschlusselement 91 elektrisch leitend verbunden sind. Die Kontaktelemente 71 erstrecken sich durch die
Planarisierung 8. Zur n-seitigen Kontaktierung sind die
Anschlusselemente 92 vorgesehen, die sich durch den Spiegel 101, 102 an der Unterseite lc des Halbleiterkörpers
erstrecken. Durch Gräben 30, die sich von der Unterseite lc des Halbleiterkörpers bis in den zweiten dotierten Bereich 12 erstrecken, ist der Halbleiterkörper in Bereiche lb
unterteilt, die getrennt voneinander betrieben werden können. Das heißt, das Bauteil umfasst in diesem Ausführungsbeispiel individuelle n-seitige Anschlusselemente 92 und ein
gemeinsames p-seitiges Anschlusselement 91. Das Bauteil ist oberflächenmontierbar und beispielsweise zum Verbinden, beispielsweise durch Bonden, auf einem IC-Treiber vorgesehen. Die Durchkontaktierungen der Kontaktelemente 71 sind
beispielsweise reflektierend ausgebildet und dienen zur
Lichtabschirmung der einzelnen Bereiche lb voneinander. Die Kontaktelemente 71 können T-förmig ausgeführt sein und hindern damit zusätzlich zum dielektrischen Spiegel 102 blaues Licht am Austritt.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 6 ist eine optische Trennung 104 in der Planarisierung 8 vorgesehen, die beispielsweise reflektierend oder absorbierend ausgebildet sein kann. Das Halbleiterbauteil weist individuelle n-Kontakte, die
Anschlusselemente 92, und einen gemeinsamen p-Kontakt auf, der durch das Anschlusselement 91 gebildet ist. Der
gemeinsame p-Kontakt dient ferner zu einer guten Abschirmung von blauem Licht im Bereich der Konversionselemente 5, 6.
Die Figuren 7A und 7B zeigen ein Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Licht emittierenden Bauteils in der schematischen Schnittdarstellung sowie in der Draufsicht auf die Unterseite des Bauteils. Dort ist zu erkennen, dass zum Beispiel ein gemeinsamer Kontakt durch das Anschlusselement 92 sowie individuelle Kontakte durch die Anschlusselemente 91 vorgesehen sein können.
In Verbindung mit den Figuren 8A und 8B sind anhand
schematischer Schnittdarstellungen unterschiedliche Formen für die ersten Konversionselemente 2 und die zweiten
Konversionselemente 5 erläutert. Bei den Konversionselementen kann es sich beispielsweise um Kern-Hülle-Stäbe handeln, welche zylinderförmig, pyramidenförmig oder quaderförmig ausgebildet sein können. Ferner ist es möglich, dass die Konversionselemente aktive Bereiche 43, 53 umfassen, die sich über den gesamten Querschnitt des Konversionselements erstrecken .
In Verbindung mit den Figuren 9A bis 9F wird ein weiteres Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Verfahrens näher erläutert .
Bei dem Verfahren wird zunächst, Figur 9A, eine Vielzahl von Konversionselementen 4, 5 bereitgestellt. Dazu wird ein
Aufwachssubstrat 2 bereitgestellt, das beispielsweise mit Saphir gebildet sein kann. An der Oberseite des
Aufwachssubstrats 2 kann eine Halbleiterschicht 112
angeordnet sein. Die Halbleiterschicht 112 ist beispielsweise eine p-dotierte Halbleiterschicht, zum Beispiel aus p-GaN.
Auf das Aufwachssubstrat 2 und, falls vorhanden, auf die Halbleiterschicht 112 wird die Maske 3 aufgebracht, in welcher die Öffnungen 31, 32 wie oben beschrieben erzeugt werden. In den Öffnungen werden die Konversionselemente 4, 5 in der oben beschriebenen Weise epitaktisch erzeugt. Dabei können Konversionselemente, wie sie in der Figur 8B
dargestellt sind, hergestellt werden.
Im nachfolgenden Verfahrensschritt, Figur 9B, erfolgt ein Transferprozess durch das Bereitstellen des Matrixmaterials 110, welches die Konversionselemente 4, 5 an ihren
freiliegenden Außenflächen vollständig umgibt, Figur 9C.
Das Matrixmaterial 110 kann dabei beispielsweise beim
Einbetten der Konversionselemente 4, 5 bereits vorgehärtet sein. Im in Verbindung mit der Figur 9D beschriebenen
Verfahrensschritt werden die Konversionselemente hier samt der Maske 3 abgelöst. In Verbindung mit der Figur 9E ist schematisch verdeutlicht, dass die Orientierung der Konversionselemente anschließend frei gewählt werden kann. Beispielsweise können die
Konversionselemente 4, 5 derart am Halbleiterkörper 1 befestigt werden, dass sie sich in Richtung des
Halbleiterkörpers 1 verjüngen. Die Maskenschicht 3 kann dann an der dem Halbleiterkörper 1 abgewandten Seite des
Matrixmaterials 110 angeordnet sein und im fertiggestellten Halbleiterbauteil verbleiben.
Auf diese Weise wird beispielsweise ein
oberflächenmontierbares Halbleiterbauteil erzeugt, wie es in der Figur 9F dargestellt ist. Das heißt, das
Halbleiterbauteil ist über die Anschlusselemente 91, 92, die an der Bodenseite des Bauteils angeordnet sind, elektrisch anschließbar. Zum Beispiel das n-seitige Anschlusselement 91 ist durch ein Kontaktelement 71, welches als
Durchkontaktierung ausgebildet ist, mit dem ersten
Halbleiterbereich elektrisch leitend verbunden. Das zweite Anschlusselement 92 ist mit dem zweiten dotierten Bereich 12 elektrisch leitend verbunden.
Neben den beiden in der Figur 9E gezeigten Orientierungen der Konversionselemente 4, 5 sind auch andere Orientierungen bei der Montage auf den Halbleiterkörper 1 denkbar. So ist es beispielsweise möglich, dass die Haupterstreckungsrichtung der Konversionselemente schräg zur Haupterstreckungsebene des Halbleiterbauteils verläuft.
Die vertikale Erstreckung dl des Matrixmaterials 110 kann besonders klein gewählt sein und beispielsweise maximal 1 ym betragen . In Verbindung mit der schematischen Darstellung der Figur 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Licht emittierenden Halbleiterbauteils näher erläutert. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der Figur 9F ist das Matrixmaterial 110 hier dicker gewählt und weist
beispielsweise eine Dicke dl von 2 ym oder mehr auf. In das Matrixmaterial 110 sind Partikel 111 eingebracht, bei denen es sich beispielsweise um Streupartikel und/oder um Licht konvertierende Partikel handelt.
Die schematische Darstellung der Figur 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel von hier beschriebenen Licht
emittierenden Halbleiterbauteilen. Beispielsweise ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Vielzahl der
Halbleiterbauteile zu einer Anzeigevorrichtung angeordnet, wobei jeweils drei der Halbleiterbauteile eine RGB-Einheit 100 bilden. Dazu kommen in jeder RGB-Einheit 100 ein
Halbleiterbauteil mit einer Vielzahl erster
Konversionselemente 4 zur Erzeugung von grünem Licht, ein Halbleiterbauteil mit einer Vielzahl zweiter
Konversionselemente 5 zur Erzeugung von rotem Licht und ein Halbleiterbauteil ohne Konversionselement zur Erzeugung von blauem Licht zum Einsatz. Die maximale laterale Erstreckung d2 der Halbleiterbauteile kann dabei jeweils 10 ym oder weniger betragen.
In Verbindung mit der Figur 12 ist ein weiteres
Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Licht
emittierenden Halbleiterbauteils näher erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Konversionselemente 4, 5 nicht direkt auf den Halbleiterkörper 1 aufgebracht, sondern auf das am Halbleiterkörper 1 verbleibende Aufwachssubstrat 2, das beispielsweise mit Saphir gebildet sein kann. Bei dem Halbleiterbauteil der Figur 12 handelt es sich zum Beispiel um einen Saphir-Flip-Chip, der als Volumenemitter ausgebildet ist. Das heißt, wenigstens 30 % der vom Halbleiterbauteil im Betrieb emittierten elektromagnetischen Strahlung treten durch Seitenflächen aus, die quer oder senkrecht zur
Haupterstreckungsebene des Halbleiterbauteils verlaufen. Auch diese Seitenflächen können, wie in der Figur 12 dargestellt, mit den in das Matrixmaterial 110 eingebetteten
Konversionselementen 4, 5 bedeckt sein. Die Beschichtung der Seitenflächen mit den Konversionselementen 4, 5 ist dabei optional. Auch hier kann die Dicke des Matrixmaterials 110, also die vertikale Erstreckung dl, maximal 1 ym betragen.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 13 ist ein Licht
emittierendes Halbleiterbauteil dargestellt, bei dem mehrere Halbleiterkörper 1, die jeweils mit den Konversionselementen 4, 5 verbunden sind, auf einen gemeinsamen Träger 20
aufgebracht sind. Bei dem gemeinsamen Träger 20 handelt es sich beispielsweise um einen Anschlussträger, wie eine bedruckte Leiterplatte oder eine Metallkernplatine.
In Verbindung mit der Figur 14 ist die relative
Emissionsintensität von konventionellen Halbleiterbauteilen in der Kurve a im Vergleich zu hier beschriebenen
Halbleiterbauteilen in der Kurve b gegen die
Betriebstemperatur T aufgetragen. Es zeigt sich eine
verringerte Abhängigkeit von der Betriebstemperatur und eine erhöhte relative Emissionsintensität bei höheren
Temperaturen .
In der Figur 15 ist die interne Quanteneffizienz E im
Vergleich für ein herkömmliches Halbleiterbauteil - Kurve a - und hier beschriebene Halbleiterbauteile - Kurven b, c - grafisch dargestellt. Auch hier zeigt sich eine erhöhte interne Quanteneffizienz bei höheren Temperaturen T.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese 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 Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Prioritäten der deutschen Patentanmeldungen 102017129940.8 und
102018111021.9, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch
Rückbezug aufgenommen wird.
Bezugszeichenliste
1 Halbleiterkörper
la Oberseite
lb Bereich
lc Unterseite
11 erster dotierter Bereich
12 zweiter dotierter Bereich
13 aktiver Bereich
2 Aufwachssubstrat
20 Träger
21 Verbindungsschicht
3 Maske
30 Graben
31 erste Öffnung
32 zweite Öffnung
33 dritte Öffnung
4 erstes Konversionselement
41 erster dotierter Bereich
42 zweiter dotierter Bereich
43 aktiver Bereich
44 Passivierung
5 zweites Konversionselement
51 erster dotierter Bereich
52 zweiter dotierter Bereich
53 aktiver Bereich
54 Passivierung
6 Passivierung
7 Kontaktelement
71 Kontaktelement
72 Kontaktelement
8 Planarisierung
91 Anschlusselement 92 Anschlusselement
R zweite Sekundärstrahlung, zum Beispiel rotes Licht G erste Sekundärstrahlung, zum Beispiel grünes Licht B Primärstrahlung, zum Beispiel blaues Licht
100 RGB-Einheit (Pixel)
101 metallischer Spiegel
102 dielektrischer Spiegel
103 Öffnung
104 optische Trennung
110 Matrixmaterial
111 Partikel
112 Halbleiterschicht
dl vertikale Erstreckung
d2 laterale Erstreckung

Claims

Patentansprüche
1. Licht emittierendes Halbleiterbauteil mit
einem Halbleiterkörper (1) umfassend einen aktiven
Bereich (13), der zur Emission einer Primärstrahlung (B) ausgebildet ist, und
einem ersten Konversionselement (4), das zur Konversion eines Teils der Primärstrahlung (B) zu einer ersten
Sekundärstrahlung (G) ausgebildet ist, wobei
das erste Konversionselement (4) an einer Oberseite (la) des Halbleiterkörpers (1) angeordnet ist,
das erste Konversionselement (4) als Körper ausgebildet ist, der den Halbleiterkörper (1) an seiner Oberseite (la) zum Teil bedeckt, und
das erste Konversionselement (5) mit dem
Halbleiterkörper (1) verbunden ist.
2. Licht emittierendes Halbleiterbauteil nach dem
vorherigen Anspruch mit
einem zweiten Konversionselement (5) , das zur Konversion eines Teils der Primärstrahlung (B) zu einer zweiten
Sekundärstrahlung (R) ausgebildet ist, wobei
das zweite Konversionselement (5) an der Oberseite (la) des Halbleiterkörpers (1) angeordnet ist,
das zweite Konversionselement (5) als Körper ausgebildet ist, der den Halbleiterkörper (1) an seiner Oberseite (la) zum Teil bedeckt, und
das zweite Konversionselement (5) mit dem
Halbleiterkörper (1) verbunden ist.
3. Licht emittierendes Halbleiterbauteil nach einem der vorherigen Ansprüche,
bei dem das erste Konversionselement (4) und/oder das zweite Konversionselement (5) monolithisch mit dem Halbleiterkörper (1) verbunden ist.
4. Licht emittierendes Halbleiterbauteil nach einem der vorherigen Ansprüche,
bei dem das erste Konversionselement (4) und/oder das zweite Konversionselement (5) als Mikrorod oder als Nanorod
ausgebildet ist.
5. Licht emittierendes Halbleiterbauteil nach einem der vorherigen Ansprüche,
bei dem das erste Konversionselement (4) und/oder das zweite Konversionselement (5) epitaktisch an der Oberseite (la) des Halbleiterkörpers (1) erzeugt ist.
6. Licht emittierendes Halbleiterbauteil nach einem der vorherigen Ansprüche,
bei dem das erste Konversionselement (4) und/oder das zweite Konversionselement (5) eine maximale laterale Erstreckung aufweist, die klein ist gegen die maximale laterale
Erstreckung des Halbleiterkörpers (1).
7. Licht emittierendes Halbleiterbauteil nach einem der vorherigen Ansprüche,
bei dem zwischen dem ersten Konversionselement (4), dem zweiten Konversionselement (5) und dem Halbleiterkörper (1) eine Maske (3) angeordnet ist, die im Bereich eines jeden Konversionselements (4, 5) eine Öffnung (31) aufweist.
8. Licht emittierendes Halbleiterbauteil nach einem der vorherigen Ansprüche,
bei dem der Halbleiterkörper (1) in mehrere Bereiche (lb) strukturiert ist, die unabhängig voneinander betreibbar sind, wobei zumindest einem der Bereiche (lb) eines der
Konversionselemente (4, 5) zugeordnet ist.
9. Licht emittierendes Halbleiterbauteil nach einem der vorherigen Ansprüche mit
- einem dielektrischen Spiegel (102) an der Oberseite (la) oder an einer der Oberseite (la) abgewandten Unterseite (lc) des Halbleiterkörpers (1), wobei
- der dielektrische Spiegel zur Reflexion der Primärstrahlung (B) vorgesehen ist und für die erste Sekundärstrahlung (G) und die zweite Sekundärstrahlung (R) durchlässig ist, und
- der dielektrische Spiegel zumindest eine Öffnung (103) aufweist, die zum Durchlass der Primärstrahlung (B)
ausgebildet ist.
10. Licht emittierendes Halbleiterbauteil nach einem der vorherigen Ansprüche,
das zur Emission von blauem, grünem und rotem Licht
ausgebildet ist.
11. Licht emittierendes Halbleiterbauteil nach einem der vorherigen Ansprüche,
bei dem zwischen den Konversionselementen (4, 5) und dem Halbleiterkörper (10) ein Matrixmaterial (110) angeordnet ist .
12. Licht emittierendes Halbleiterbauteil nach einem der vorherigen Ansprüche,
bei dem sich zumindest eines der Konversionselemente (4, 5) in Richtung zum Halbleiterkörper (1) verjüngt .13. Verfahren zur Herstellung eines Licht emittierenden Halbleiterbauteils nach einem der vorherigen Ansprüche mit den Schritten:
Bereitstellen des Halbleiterkörpers (1),
Erzeugen einer Maske (3) mit einer Vielzahl von
Öffnungen (31) an der Oberseite (la) des Halbleiterkörpers (1) ,
epitaktisches Erzeugen einer Vielzahl von erster und/oder zweiter Konversionselemente (4, 5) an der Oberseite (la) des Halbleiterkörpers in den Öffnungen (31) der Maske (3) .
13. Verfahren zur Herstellung eines Licht emittierenden Halbleiterbauteils mit den Schritten:
Bereitstellen eines Aufwachssubstrats (2),
Erzeugen einer Maske (3) mit einer Vielzahl von
Öffnungen (31) an der Oberseite (2a) des Aufwachssubstrats (2) ,
epitaktisches Erzeugen einer Vielzahl von
Konversionselementen (4, 5) an der Oberseite (la) des
Aufwachssubstrats (2) in den Öffnungen (31) der Maske (3), Umhüllen zumindest eines Teils der Konversionselemente (4, 5) mit einem Matrixmaterial (110),
Ablösen des Matrixmaterials (110) vom Aufwachssubstrat
(2) ,
Aufbringen des Matrixmaterials (110) an einem
Halbleiterkörper (1) umfassend einen aktiven Bereich (13), der zur Emission einer Primärstrahlung (B) ausgebildet ist.
14. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch,
wobei die Maske (3) zusammen mit dem Matrixmaterial (110) abgelöst wird und zusammen mit dem Matrixmaterial (110) am Halbleiterkörper (1) aufgebracht wird.
15. Verfahren nach einem der beiden vorherigen Ansprüche, wobei das Matrixmaterial (110) eine mechanische Verbindung der Konversionselemente (4, 5) am Halbleiterkörper (1) vermittelt .
16. Verfahren nach einem der drei vorherigen Ansprüche, wobei Partikel (111) in das Matrixmaterial (110) eingebracht werden, wobei die Partikel (111) zur Streuung und/oder zur Konversion von der Primärstrahlung (B) und/oder der
Sekundärstrahlung (G) vorgesehen sind.
17. Verfahren nach einem der vier vorherigen Ansprüche, wobei ein Licht emittierendes Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 12 hergestellt wird.
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