DE102006017573A1

DE102006017573A1 - Optoelektronischer Halbleiterkörper und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102006017573A1
Application number: DE102006017573A
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr. Linder
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2006-04-13
Filing date: 2006-04-13
Publication date: 2007-10-18

Abstract

Es wird ein optoelektronischer Halbleiterkörper mit einer strahlungsemittierenden Vorderseite (5) offenbart, der umfasst: - eine Halbleiterschichtenfolge (1) mit einer aktiven Schicht (2), die geeignet ist, im Betrieb elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, - ein Trägerelement (10), das mit der Halbleiterschichtenfolge (1) verbunden ist und diese stützt, und - eine erste strukturierte Schicht (6) zwischen der aktiven Schicht (2) und dem Trägerelement, die gemäß einer ersten lateral variierenden dielektrischen Funktion (epsilon(x)) strukturiert ist. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterkörpers offenbart.

Description

Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Halbleiterkörper, der im Betrieb Strahlung von seiner Vorderseite aussendet, und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Die Druckschrift US 6,831,302 beschreibt einen strahlungsemittierenden Halbleiterkörper, dessen strahlungsemittierende Vorderseite so strukturiert ist, dass die Vorderseite eine dielektrische Funktion aufweist, die lateral gemäß einem periodischen Muster variiert. Dies soll zu einer gerichteten Abstrahlcharakteristik des Halbleiterkörpers führen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen optoelektronischen Halbleiterkörper mit gerichteter Abstrahlcharakteristik anzugeben. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren für einen solchen optoelektronischen Halbleiterkörper anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch einen optoelektronischen Halbleiterkörper mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, des Patentspruches 2 und des Patentanspruches 3 sowie durch ein Verfahren mit den Schritten gemäß Patentanspruch 21 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen des Halbleiterkörpers sowie des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 4 bis 20 bzw. 22 bis 24 angegeben.
Der Offenbarungsgehalt der Patentansprüche wird hiermit explizit in die Beschreibung aufgenommen.
Ein optoelektronischer Halbleiterkörper mit einer strahlungsemittierenden Vorderseite umfasst gemäß der Erfindung insbesondere:

– eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Schicht, die geeignet ist, im Betrieb elektromagnetische Strahlung zu erzeugen,
– ein Trägerelement, das mit der Halbleiterschichtenfolge verbunden ist und diese stützt, und
– eine erste strukturierte Schicht zwischen der aktiven Schicht und dem Trägerelement, die gemäß einer ersten lateral variierenden dielektrischen Funktion strukturiert ist.

Der optoelektronische Halbleiterkörper umfasst anstelle des Aufwachssubstrates, auf dem die Halbleiterschichtenfolge epitaktisch gewachsen wurde, ein Trägerelement, das mit der Halbleiterschichtenfolge verbunden ist und diese stützt. Das Aufwachssubstrat, das zum epitaktischen Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge verwendet wurde, ist entweder von dem optoelektronischen Halbleiterkörper entfernt oder zumindest gedünnt, derart, dass das Aufwachssubstrat zusammen mit den darauf epitaktisch gewachsenen Schichten nicht mehr alleine freitragend ist. Zur mechanischen Stabilisierung des optoelektronischen Halbleiterkörpers, insbesondere der Halbleiterschichtenfolge umfasst dieser das Trägerelement.
Bei dem Trägerelement kann es sich beispielsweise um ein separat von der Halbleiterschichtenfolge gefertigtes Trägerelement handeln – solche können in einer Mehrzahl als Wafer hergestellt werden – oder auch um eine Schicht, die auf der epitaktisch gewachsenen Halbleiterschichtenfolge in ausreichender Dicke, beispielsweise zwischen 50 µm und 100 µm, ausgebildet ist.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Formulierung „ein Trägerelement, das mit der Halbleiterschichtenfolge verbunden ist" im vorliegenden Zusammenhang nicht bedeutet, dass die Halbleiterschichtenfolge zwingend unmittelbar mit dem Trägerelement eine gemeinsame Grenzfläche aufweisen muss, sondern dass durchaus auch weitere Schichten, beispielsweise eine reflektierende Schicht, zwischen dem Trägerelement und der Halbleiterschichtenfolge angeordnet sein können.
Im Unterschied zu dem optoelektronischen Bauelement der Druckschrift US 6,831,302 befindet sich die erste strukturierte Schicht nicht auf der strahlungsemittierenden Vorderseite des optoelektronischen Halbleiterkörpers, sondern innerhalb des Halbleiterkörpers. Dies bietet den Vorteil, dass die Schicht gegenüber Umgebungseinflüssen geschützt ist. Mit Hilfe der ersten strukturierten Schicht im Inneren des Halbleiterkörpers kann die Abstrahlcharakteristik des Halbleiterkörpers auf eine gewünschte Art und Weise beeinflusst werden.
Die erste strukturierte Schicht zwischen der aktiven Halbleiterschicht und dem Trägerelement kann beispielsweise Teil der epitaktisch gewachsenen aktiven Halbleiterschichtenfolge oder gesondert auf oder über dieser angebracht sein. Insbesondere kann der gesamte Teil der Halbleiterschichtenfolge zwischen dem Trägerelement und der aktiven Schicht als erste strukturierte Schicht ausgebildet sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die aktive Schicht ebenfalls zumindest teilweise gemäß einer dritten lateral variierenden dielektrischen Funktion strukturiert. Besonders bevorzugt ist die dritte dielektrische Funktion gemäß derer die aktive Schicht strukturiert ist, dieselbe, wie die gemäß der die ersten strukturierten Schicht strukturiert ist oder stellt eine stetige Fortsetzung dieser Funktion dar. In diesem Fall ist die Strukturierung der ersten strukturierten Schicht in die aktive Schicht fortgesetzt. Bei dieser Ausführungsform kann die aktive Schicht nur teilweise strukturiert sein oder auch in ihrer gesamten Dicke.
Die Strukturierung der aktiven Schicht bietet den Vorteil, dass die Effizienz der strukturierten Schicht in der Regel erhöht wird. Gegebenenfalls kann auf diese Art und Weise auch die spontane Emissionscharakteristik der aktiven Schicht beeinflusst, bevorzugt erhöht werden.
Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf einem III/V-Verbindungshalbleitermaterial, wie einem Nitrid-, Phosphid- oder Arsenidverbindungshalbleitermaterial.
Eine Halbleiterschichtenfolge, die auf einem Nitridverbindungshalbleitermaterial basiert, umfasst im vorliegenden Zusammenhang zumindest eine Schicht, bevorzugt handelt es sich hierbei um die aktive Schicht, die ein Nitridverbindungshalbleitermaterial aufweist oder aus einem solchen besteht, vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-mN, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es insbesondere ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Eine Halbleiterschichtenfolge, die auf einem Phosphidverbindungshalbleitermaterial basiert, umfasst im vorliegenden Zu sammenhang zumindest eine Schicht, bevorzugt handelt es sich hierbei um die aktive Schicht, die ein Phosphidverbindungshalbleitermaterial aufweist oder aus einem solchen besteht, vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-mP, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es insbesondere ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, P), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Eine Halbleiterschichtenfolge, die auf einem Arsenidverbindungshalbleitermaterial basiert, umfasst im vorliegenden Zusammenhang zumindest eine Schicht, bevorzugt handelt es sich hierbei um die aktive Schicht, die ein Arsenidverbindungshalbleitermaterial aufweist oder aus einem solchen besteht, vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-mAs, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es insbesondere ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, As), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Insbesondere in Verbindung mit einer Halbleiterschichtenfolge, die auf einem Nitridverbindungshalbleitermatrial basiert, bietet die Anordnung der ersten strukturierten Schicht im Innern des Halbleiterkörpers folgenden Vorteil: In der Regel ist die zu dem Trägerelement gewandte Seite der Halbleiter schichtenfolge p-dotiert und wird in der Regel nur relativ dünn ausgeführt, da der p-Dotierstoff innerhalb einer dicken Schicht schlecht zu aktivieren ist. Es wurde festgestellt, dass ein geringer Abstand zwischen aktiver Schicht und erster strukturierter Schicht die Wirksamkeit der ersten strukturierten Schicht vorteilhafterweise verbessert, so dass diese Anordnung im Vergleich zu einer Anordnung der ersten strukturierten Schicht auf der Vorderseite des Halbleiterkörpers zu einer effizienteren Wirkung der strukturierten Schicht führt.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die strahlungsemittierende Vorderseite des Halbleiterkörpers eine zweite strukturierte Schicht auf, die gemäß einer zweiten lateral variierenden dielektrischen Funktion strukturiert ist.
Die Kombination der ersten strukturierten Schicht im Innern des Halbleiterkörpers mit der zweiten strukturierten Schicht an der Vorderseite des Halbleiterkörpers, führt vorteilhafterweise zu einer Erhöhung der Effizienz der Strukturierung, d. h. die Abstrahlcharakteristik des Halbleiterkörpers kann in weiteren Bereichen auf gewünschte Art und Weise eingestellt werden als dies bei der Verwendung einer einzigen strukturierten Schicht der Fall ist. Gegebenenfalls können durch Abstimmung der beiden Strukturierungen aufeinander sogar neue Funktionalitäten realisiert werden.
Bevorzugt ist die Dicke der ersten strukturierten Schicht und/oder ggf. der zweiten strukturierten Schicht größer oder gleich dem Verhältnis aus der Wellenlänge der von dem optoelektronischen Bauelement ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung zum Brechungsindex des Materials der ersten bzw. der zweiten strukturierten Schicht. Besonders bevorzugt ist die Dicke der ersten und/oder ggf. der zweiten strukturierten Schicht größer oder gleich 40 nm.
Besonders bevorzugt weist die erste strukturierte Schicht ein erstes lineares Gitter und die zweite strukturierte Schicht ein zum ersten linearen Gitter orthogonales zweites lineares Gitter auf. Hierdurch kann vorteilhafterweise eine besonders hohe Effizienz der Strahlformung und/oder der Auskopplung erzielt werden.
Bei einer anderen Ausführungsform weist eine der strukturierten Schichten eine unregelmäßige Struktur, beispielsweise eine Aufrauung auf und die andere strukturierte Schicht ein regelmäßiges Gitter. Hierdurch lässt sich insbesondere eine erhöhte Auskoppeleffizienz des Halbleiterkörpers erreichen. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Halbleiterschichtenfolge relativ viel von der in der aktiven Schicht erzeugten Strahlung absorbiert, wie dies insbesondere in der Regel bei Halbleiterschichtenfolge auf Basis von Phosphidverbindungshalbleitermaterialien der Fall ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erste und/oder ggf. die zweite strukturierte Schicht einen zweidimensionalen oder einen dreidimensionalen photonischen Kristall oder besteht jeweils aus einem solchen. Umfasst die erste die erste strukturierte Schicht einen photonischen Kristall oder besteht aus einem solchen und ist die Strukturierung in die aktive Schicht fortgesetzt, so umfasst auch die aktive Schicht in ihrem strukturierten Teil einen solchen photonischen Kristall in ein oder zwei Dimensionen oder besteht aus einem solchen.
Der photonische Kristall wird durch eine Strukturierung gemäß einer periodischen oder quasiperiodischen dielektrischen Funktion gebildet. Insbesondere kann sich eine solche variierende dielektrische Funktion aufgrund periodischer oder quasiperiodischer Strukturen aus mindestens zwei Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindices ausbilden, die der Kristall umfasst oder aus denen der Kristall besteht. Die Dimension des photonischen Kristalls wird durch die Dimension der (Quasi-)Periodizität der Strukturen festgelegt. Ein dreidimensionaler photonischer Kristall umfasst Strukturen, die sich in drei Raumrichtungen periodisch oder quasiperiodisch fortsetzen oder besteht aus solchen. Ein photonischer Kristall in zwei Dimensionen umfasst äquivalent Strukturen, die in zwei Raumrichtungen periodisch bzw. quasiperiodisch ausgebildet sind oder besteht aus solchen. Neben einer wellenlängenabhängigen Reflexion von einfallender elektromagnetischer Strahlung kann ein photonischer Kristall auch eine Richtungsänderung einfallender elektromagnetischer Strahlung bewirken.
Umfasst die erste und/oder ggf. die zweite strukturierte Schicht bzw. ggf. die aktive Schicht einen zweidimensionalen photonischen Kristall, so ist dieser so angeordnet, dass die (Quasi-)Periodizität der Strukturen des Kristalls innerhalb einer Ebene parallel zur strahlungsemittierenden Vorderseite des Halbleiterkörpers ausgebildet ist, so dass die erste, bzw. ggf. die zweite strukturierte Schicht oder ggf. die aktive Schicht gemäß einer ersten, zweiten oder dritten lateral variierenden dielektrischen Funktion strukturiert ist.
Ein zweidimensionaler photonischer Kristall kann beispielsweise reguläre Gitterstrukturen, insbesondere mit quadratischer, rechteckiger oder hexagonaler Gitterstruktur aufweisen oder aus einer solchen bestehen. Solche photonischen Kristal le werden in der Regel aus Hohlräumen in Form von Löchern und stegförmigen Vorsprüngen innerhalb eines dielektrischen Materials gebildet. Bevorzugt weist das dielektrische Material einen relativ hohen Brechungsindex auf. Als dielektrisches Material kann beispielsweise eines der folgenden Materialien verwendet werden, wobei die Brechungsindices in Klammern angegeben sind: GaN (ca. 2,5), InGaAlP (ca. 3,0–3,5), AlGaAs (ca. 3,0–3,5), SiO₂ (ca. 1,5), SiN (ca. 1,8) oder Al₂O₃ (ca. 1,7).
Die erste, ggf. zweite und/oder ggf. dritte lateral variierende dielektrische Funktion entspricht bevorzugt einem periodischen oder einem quasi-periodischen Muster. Sie kann aber auch stochastisch sein.
Das Muster, dem die dielektrische Funktion entspricht, kann beispielsweise ein Archimedisches Gitter, ein Fibonacci-Gitter, ein Amman-Gitter, ein Robinson-Gitter oder ein Penrose-Gitter sein. Archimedische Gitter sind beispielsweise in der Druckschrift M. Rattier et al. (2003), Appl. Phys. Lett., 83, No. 7, 1283–1285 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die Strukturierung der ersten, ggf. der zweiten strukturierten Schicht und/oder ggf. der aktiven Schicht kann weiterhin quasikristalline Strukturen aufweisen, sowie Strukturierungen, die ein periodisches Grundgitter mit kleinen Abweichungen in jeder Gitterzelle aufweisen. Ebenso können nicht-periodische Strukturen verwendet sein, die nach vorgegebenen mathematischen Gesetzmäßigkeiten ausgebildet sind – wie etwa die oben bereits exemplarisch angegeben Muster – sowie Strukturen mit statistischer Verteilung der einzelnen Elemente.
Zweckmäßigerweise sind die Abmessungen der lateralen Variation der ersten, ggf. der zweiten und/oder ggf. der dritten dielektrischen Funktion kleiner oder gleich der Wellenlänge der von dem Halbleiterkörper emittierten Strahlung. Es ist jedoch auch möglich, dass insbesondere die erste strukturierte Schicht regelmäßig ausgebildete Strukturen mit Abmessungen von mehreren µm, bevorzugt zwischen 1 µm und 100 µm, besonders bevorzugt zwischen 1 und 50 µm aufweist. Solche Strukturen sind beispielsweise in der Druckschrift WO 01/132281 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern durch Rückbezug aufgenommen wird.
In der Regel weist die erste strukturierte Schicht an ihrer von der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite Vorsprünge auf, die durch Hohlräume voneinander getrennt sind. Diese Vorsprünge können beispielsweise durch die Stege eines photonischen Kristalls und die Hohlräume durch dessen Löcher gebildet sein.
Ist die Strukturierung der ersten strukturierten Schicht in die aktive Schicht fortgesetzt, so setzten sich auch die Vorsprünge und Hohlräume bis in die aktive Schicht fort.
Bei einer Ausführungsform sind diese Hohlräume mit einem dielektrischen Material aufgefüllt, das sich von dem Material der Vorsprünge unterscheidet. Bevorzugt weist das Material in den Hohlräumen einen deutlich anderen Brechungsindex auf, als das Material der Vorsprünge. Bei dem Material der Vorsprünge kann es sich beispielsweise um ein Halbleitermaterial mit einem Brechungsindex zwischen 2,4 und 3,6 handeln und bei dem Material in den Hohlräumen um Siliziumdioxid mit einem Brechungsindex von etwa 1,5.
Besonders bevorzugt ist zwischen der ersten strukturierten Schicht und dem Trägerelement eine reflektierende Schicht angeordnet. Diese lenkt in der aktiven Schicht erzeugte Strahlung vorteilhafterweise zur strahlungsemittierenden Vorderseite des optoelektronischen Halbleiterkörpers und verhindert größtenteils, dass diese Strahlung im Trägerelement absorbiert wird. Dies erhöht die Effizienz des optoelektronischen Halbleiterkörpers.
Die reflektierende Schicht muss hierbei nicht aus einer einzigen Schicht bestehen, sondern umfasst bevorzugt mehrere Schichten.
Bei einer Ausführungsform umfasst die reflektierende Schicht eine hochreflektierende metallische Schicht oder besteht aus einer solchen. Hierbei weist die hochreflektierende metallische Schicht bevorzugt Silber, Aluminium oder Gold auf oder besteht aus einem dieser Materialien. Eine hoch reflektierende metallische Schicht weist eine Reflektivität auf, die größer oder gleich 50% ist.
Besonders bevorzugt ist eine solche hochreflektierende metallische Schicht direkt auf die erste strukturierte Schicht aufgebracht, da hierdurch die strukturierte Schicht besonders effizient wirken kann.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die reflektierende Schicht eine Kontaktschicht. Die Kontaktschicht umfasst beispielsweise ein transparentes leitendes Oxid (transparent conductive oxide, kurz TCO) oder besteht aus einem solchen. Transparente leitende Oxide sind transparente, leitende Materialien, in der Regel Metalloxide, wie beispielsweise Zinkoxid, Zinnoxid, Kadmiumoxid, Titanoxid, Indiumoxid oder Indiumzinnoxid (ITO). Neben binären Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise ZnO, SnO₂ oder In₂O₃, gehören auch ternäre Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise Zn₂SnO₄, CdSnO₃, ZnSnO₃, MgIn₂O₄, GaInO₃, Zn₂In₂O₅ oder In₄Sn₃O₁₂ oder Mischungen unterschiedlicher transparenter leitender Oxide zu der Gruppe der TCOs. Weiterhin müssen TCOs nicht zwingend eine stöchometrische Zusammensetzung, wie sie oben angegeben sind, aufweisen und können auch p- oder n-dotiert sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Kontaktschicht ein hochreflektierendes Metall, beispielsweise Silber, Aluminium oder Gold aufweisen oder aus einem dieser Materialien bestehen.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die reflektierende Schicht eine dielektrische Schicht. Die dielektrische Schicht weist bevorzugt Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Siliziumoxid Siliziumoxynitrid, Titanoxid oder Tantaloxid auf oder besteht aus einem dieser Materialien.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, insbesondere in Verbindung mit einer ersten strukturierten Schicht innerhalb des Halbeiterkörpers ohne eine zweite strukturierte Schicht auf der Vorderseite des Halbleiterköpers, ist in der vorgegebenen Abstrahlrichtung des Halbleiterkörpers nachfolgend auf die aktive Schicht ein Distributed-Bragg-Reflector-Spiegel (DBR-Spiegel) angeordnet. Der DBR-Spiegel kann hierbei Teil der epitaktisch gewachsenen Halbleiterschichtenfolge sein, in diesem Fall umfasst bzw. besteht er in der Regel aus einem Halbleitermaterial oder er ist auf der Vorderseite des Halbleiterkörpers aufgebracht. Alternativ kann der DBR-Spiegel neben Halbleitermaterialien auch dielektrische Materialien, beispielsweise Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Siliziumoxid Siliziumoxynitrid, Titanoxid oder Tantaloxid aufwei sen. Mit Hilfe des DBR-Spiegels kann die Richtcharakteristik und/oder die Auskoppeleffizienz des Halbleiterkörper vorteilhafterweise erhöht werden.
Ein Verfahren zur Herstellung eines solchen optoelektronischer Halbleiterkörpers umfasst insbesondere die folgenden Verfahrensschritte:

– epitaktisches Aufwachsen einer Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Schicht, die geeignet ist, im Betrieb elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, auf einem Aufwachssubstrat,
– Strukturieren der von dem Aufwachssubstrat abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge derart, dass diese Seite eine erste strukturierte Schicht aufweist, die gemäß einer ersten lateral variierenden dielektrischen Funktion strukturiert ist oder Aufbringen einer ersten strukturierten Schicht, die auf einer von dem Aufwachsubstrat abgewandten Seite gemäß einer ersten lateral variierenden dielektrischen Funktion strukturiert ist, auf die Halbleiterschichtenfolge,
– Verbinden der von dem Aufwachssubstrat abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge oder der ersten strukturierten Schicht mit einem Trägerelement, und
– Entfernen oder Dünnen des Aufwachssubstrates.

Die Anordnung der ersten strukturierten Schicht im Inneren des Halbleiterkörpers auf technisch sinnvolle Art und Weise wird durch das Anbringen eines Trägerelementes und Entfernen des Aufwachssubstrates erst ermöglicht, da es ansonsten außerordentlich schwierig ist, eine epitaktaktisch auf einem Aufwachssubstrat gewachsene Schicht zu strukturieren, die nicht an einer Oberfläche des Halbleiterkörper liegt.
Das Trägerelement wird mit der ersten strukturierten Schicht beispielsweise mittels Löten, Kleben oder Bonden verbunden.
Die Strukturierung der ersten bzw. ggf. der zweiten strukturierten Schicht sowie der aktiven Schicht kann beispielsweise mittels optischer Lithographie, (Nano-)Imprintlithographie oder Elektronenstrahllithographie erfolgen. Diese Verfahren werden insbesondere verwendet, um nicht stochastische Strukturierungen, wie beispielsweise die bereits oben erwähnten, periodischen und quasi-periodischen Muster zu erzeugen.
Eine stochastische Strukturierung der strukturierten Schichten kann beispielsweise durch Aufrauen der Schicht erfolgen, etwa durch Ätzen oder Schleifen. Weiterhin ist es möglich, eine Aufrauung der Schicht durch sandstrahlartige Verfahren zu erzielen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1 bis 7 erläuterten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1A bis 1D, schematische Schnittdarstellungen eines Halbleiterkörpers bei verschiedenen Stadien eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
1E, eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Halbleiterkörpers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
1F bis 1H, schematische Schnittdarstellungen durch die reflektierende Schicht gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele,
2, eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Halbleiterkörpers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
3, eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Halbleiterkörpers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
4, eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Halbleiterkörpers gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
5, eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Halbleiterkörpers gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel,
6A, eine schematische Draufsicht auf eine erste oder eine zweite strukturierte Schicht gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
6B, eine schematische Schnittdarstellung durch die strukturierte Schicht gemäß der 6B entlang der Linie AA',
6C, eine schematische Darstellung der dielektrischen Funktion der Oberfläche der strukturierten Schicht gemäß den 6A und 6B, und
7, eine weitere schematische Draufsicht auf eine erste oder eine zweite strukturierte Schicht gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Elemente sind nicht generell als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie z. B. Schichtdicken oder Strukturgrößen zum besseren Verständnis im Vergleich zu übrigen Bestandteilen übertrieben groß dargestellt sein.
Der Halbleiterkörper gemäß der 1E weist eine Halbleiterschichtenfolge 1 mit einer aktiven Schicht 2 auf, die im Betrieb elektromagnetische Strahlung erzeugt. Die aktive Schicht 2 umfasst bevorzugt einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, einen Einfach-Quantentopf oder besonders bevorzugt eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW) zur Strahlungserzeugung. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur beinhaltet hierbei keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit u.a. Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen. Beispiele für MQW-Strukturen sind in den Druckschriften WO 01/39282, US 5,831,277 , US 6,172,382 B1 und US 5,684,309 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Angrenzend an beide Seiten der aktiven Schicht 2 sind weitere Halbleiterschichten 3, 4, beispielsweise Confinement-Schichten oder Kontaktschichten angeordnet. Die an die aktive Schicht 2 angrenzenden Schichten 3, 4 können beispielsweise n- oder p-dotiert sein. Die Halbleiterschichtenfolge 1 basiert beispielsweise auf einem Nitridverbindungs-Halbleitermaterial, auf einem Phosphidverbindungs-Halbleitermaterial oder auf einem Arsenidverbindungs-Halbleitermaterial.
Vorliegend weist die Halbleiterschicht 3 p-dotiertes GaN und eine Dicke zwischen 50 nm und 100 nm auf, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Die Halbleiterschicht 4 weist n-dotiertes GaN auf uns hat eine Dicke von einigen µm beispielsweise zwischen 2 µm und 3 µm. Die aktive Schicht 2 weist vorliegend drei Quantentöpfe basierend auf InGaN auf, die durch GaN-Barriereschichten voneinander getrennt sind. Die Dicke der aktiven Schicht 2 beträgt vorliegend etwa 50 nm.
Die von der strahlungsemittierenden Vorderseite 5 des Halbleiterkörpers abgewandte Seite der Halbleiterschichtenfolge 1 ist mit einer ersten strukturierten Schicht 6 versehen. Vorliegend ist diese erste strukturierte Schicht 6 Teil Halbleiterschichtenfolge 1, weist GaN auf und hat eine Dicke von etwa 150 nm. Die Strukturierung dieser Schicht kann beispielsweise einen zweidimensionalen oder einen dreidimensionalen photonischen Kristall ausbilden. Weiterhin ist es auch möglich, dass die erste strukturierte Schicht 6 ein Fibonacci-Gitter, ein Amman-Gitter, ein Penrose-Gitter oder ein Robinson-Gitter als Strukturierung umfasst. Vorliegend ist die Strukturierung der ersten strukturierten Schicht 6 durch Löcher gebildet, so dass Vorsprünge 7 in dem Halbleitermaterial der Halbleiterschichtenfolge 1 gebildet sind, die durch Hohlräume 8 voneinander getrennt sind.
Direkt angrenzend an die von der strahlungsemittierenden Vorderseite 5 abgewandte Seite der ersten strukturierten Schicht 6 ist eine reflektierende Schicht 9 aufgebracht. Bei der reflektierenden Schicht 9 handelt es sich beispielsweise um ei ne hochreflektive metallische Schicht, etwa aus Silber, Aluminium oder Gold oder einer Legierung aus mindestens zwei dieser Metalle (siehe 1F). Alternativ ist es auch möglich, dass es sich bei der reflektierenden Schicht um eine Kombination aus einer hochreflektiven metallischen Schicht, beispielsweise aus einem der oben genannten Materialien, und einer zwischen der hochreflektiven metallischen Schicht 91 und der strukturierten Schicht 6 angeordneten Kontaktschicht 92, die bevorzugt aus einem transparenten Material besteht, handelt (siehe 1G).
Diese Kontaktschicht 92 umfasst als transparentes Material beispielsweise ein TCO-Material oder besteht aus einem solchen. Weiterhin ist die Kontaktschicht 92 bei dieser Ausführungsform bevorzugt direkt auf dem Halbleitermaterial der strukturierten Schicht 6 angeordnet.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die reflektierende Schicht 9 neben der hochreflektiven metallischen Schicht 91 und einer Kontaktschicht 92 eine dielektrische Schicht 93, die beispielsweise Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Siliziumoxid oder Siliziumoxynitrid aufweist oder aus einem dieser Materialien besteht (siehe 1H). Bevorzugt ist die dielektrische Schicht 93 zwischen der Kontaktschicht 92 und der metallischen Schicht 91 angeordnet. Die dielektrische Schicht 93 verbessert das Reflexionsverhalten der reflektierenden Schicht 9 bei flachen Einfallswinkeln.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 1E ist angrenzend an die reflektierende Schicht 9 ein Trägerelement 10 angebracht. Das Trägerelement weist bevorzugt eines der folgenden Materialien auf oder besteht aus einem solchen: Germanium, Silizium, Molybdän, Kupfer, Aluminiumnitrid, Siliziumcarbid, Galli umarsenid, Galliumphosphid. Denkbar sind jedoch auch andere Halbleitermaterialien bzw. Metalle sowie Glas.
Zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterkörpers kann beispielsweise auf dessen strahlungsemittierende Vorderseite 5 eine weitere Kontaktschicht aufgebracht sein (in den Figuren nicht dargestellt).
Sind alle Schichten des Halbleiterkörpers, insbesondere die reflektierende Schicht 9, elektrisch leitend ausgebildet, so kann der Halbleiterkörper rückseitig über die von der Vorderseite des Halbleiterkörpers abgewandte Rückseite 11 des Trägerelements 1 elektrisch kontaktiert werden.
Ist eine der Schichten des Halbleiterkörpers, insbesondere die reflektierende Schicht 9, ganzflächig elektrisch isolierend ausgebildet, beispielsweise wenn die reflektierende Schicht durch eine dielektrische Schicht 93 gebildet wird oder eine solche umfasst, können die Kontakte auch seitlich der strukturierten Schicht ausgebildet sein (ebenfalls in den Figuren nicht dargestellt). Hierzu werden in seitlichen Kontaktbereichen die aktive Schicht 2 und die angrenzende Halbleiterschichten 4 weggeätzt und innerhalb der Kontaktbereiche ein elektrisch leitendes Kontaktmaterial aufgebracht.
Ein Halbleiterkörper, wie er schematisch in der 1E dargestellt ist, kann beispielsweise gemäß der Verfahrensschritte der 1A bis 1D hergestellt werden. In einem ersten Schritt wird auf einem Aufwachssubstrat 12 eine Halbleiterschichtenfolge 1 epitaktisch aufgewachsen, die eine aktive, zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung geeignete Schicht 2 umfasst (vergleiche 1A). Das Aufwachssubstrat 12 wird hierbei in der Regel so ausgewählt, dass dieses eine ähnliche Gitterkonstante wie das auf zuwachsende Halbleitermaterial aufweist. Bei GaN wird in der Regel SiC oder Saphir als Material für das Aufwachssubstrat verwendet.
In einem nächsten Schritt wird die Seite der Halbleiterschichtenfolge 1, die von dem Aufwachssubstrat 12 abgewandt ist, derart strukturiert, dass diese Seite eine erste strukturierte Schicht 6 an der Oberfläche aufweist, die gemäß einer ersten lateral variierenden dielektrischen Funktion strukturiert ist (vergleiche 1B). Ist die Struktur der ersten strukturierten Schicht 6 regelmäßig, kann diese beispielsweise mittels Elektronenstrahllithographie erzeugt werden. Eine zufällig strukturierte erste Schicht 6 kann beispielsweise mittels Aufrauen der Halbleiterschichtenfolge 1 durch Schleifen oder Ätzen erzeugt werden.
In einem nächsten Schritt wird eine reflektierende Schicht 9 auf die erste strukturierte Schicht 6 der Halbleiterschichtenfolge 1 aufgebracht, die, wie oben bereits anhand der 1E beschrieben, auch mehrere metallische und/oder dielektrische Schichten 91, 92, 93 umfassen kann. Dielektrische bzw. metallische Materialien können hierbei beispielsweise aufgesputtert oder aufgedampft werden. Geeignete Materialien sind im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits angegeben.
In einem nächsten Schritt wird auf die reflektierende Schicht 9 das Trägerelement 10 aufgebracht (1D) und das Aufwachssubstrat 12 von der Halbleiterschichtenfolge 1 entfernt. Die Verbindung zwischen Trägerelement 10 und Halbleiterschichtenfolge 1 kann beispielsweise durch Kleben oder Löten sowie Bonden erfolgen. Das Aufwachssubstrat 12 wird beispielsweise durch mechanische Verfahren, wie Schleifen und Polieren oder durch ein Lasertrennverfahren von der Halblei terschichtenfolge 1 getrennt. Lasertrennverfahren sind beispielsweise in den Druckschriften US 6,559,075 und WO 03/065420 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Hierbei muss das Aufwachssubstrat 12 nicht zwingend vollständig entfernt werden, sondern es kann auch gedünnt werden, so dass eine dünne, nicht freitragende Rest-Schicht des Aufwachssubstrates 12 auf der strahlungsemittierenden Vorderseite 5 des Halbleiterkörpers verbleibt.
Der Aufbau des Halbleiterkörpers gemäß der 2 ist bis auf die reflektierende Schicht 9 wie der des Halbleiterkörpers gemäß der 1E. Die reflektierende Schicht 9 des Halbleiterkörpers gemäß der 2 umfasst eine ganzflächig auf die erste strukturierte Schicht 6 aufgebrachte hochreflektive metallische Schicht 91 oder eine dielektrische Schicht 93 oder eine Kombination aus diesen beiden Schichten 91, 93. Weiterhin umfasst die reflektierende Schicht 9 eine Kontaktschicht 92, die aus einem metallischen Material oder aus einem transparenten elektrisch leitenden Material, wie beispielsweise einem TCO, gebildet sein kann.
Im Unterschied zu der Kontaktschicht 92, die im Zusammenhang mit der 1E beschrieben ist, ist die Kontaktschicht 92 des Halbleiterkörpers der 2 jedoch nur auf den Vorsprüngen 7 der ersten strukturierten Schicht 6 ausgebildet. Im Übrigen grenzt die hochreflektive metallische Schicht 91 oder die dielektrische Schicht 93 oder eine Kombination beider Schichten direkt an die erste strukturierte Schicht 6.
Bei dem Halbleiterkörper gemäß der 3 sind die Hohlräume 8 zwischen den Vorsprüngen 7 der ersten strukturierten Schicht 6 im Unterschied zu den Halbleiterkörpern gemäß der
1E und 2 mit einem Material gefüllt, das einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als das Halbleitermaterial der strukturierten Schicht 6. Das Material kann beispielsweise Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, Aluminiumoxid, Titanoxid oder Tantaloxid sein oder umfassen.
Auf die erste strukturierte Schicht 6 mit den gefüllten Hohlräumen 8 ist eine Kontaktschicht 92 aufgebracht. Bei der Kontaktschicht 92 kann es sich entweder um eine, vorzugsweise hoch reflektierende, metallische Schicht handeln oder um eine transparente Kontaktschicht, die beispielsweise ein TCO, wie ZnO oder ITO umfasst. Ist die Kontaktschicht 92 transparent können daran weiterhin eine hochreflektive metallische Schicht 91 oder eine Kombination aus dielektrischen und metallischen Schichten angeordnet sein.
Im Unterschied zu dem Halbleiterkörper gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 weist der Halbleiterkörper gemäß dem Ausführungsbeispiel der 4 eine zweite strukturierte Schicht 13 an der strahlungsemittierenden Vorderseite 5 auf. Die zweite strukturierte Schicht 13 kann wie bereits oben für die erste strukturierte Schicht 6 beschrieben ausgeführt sein. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass auch bei allen anderen Halbleiterkörpern, die anhand der 1E, 2 und 3 beschrieben wurden, auch eine Strukturierung der Vorderseite möglich ist.
Die erste strukturierte Schicht 6 kann beispielsweise ein lineares Gitter aufweisen und die zweite strukturierte Schicht ein zu diesem Gitter orthogonales Gitter. Weiterhin ist es möglich, dass eine der beiden strukturierten Schichten 6, 13, bevorzugt die erste, eine zufällige Strukturierung aufweist und die andere strukturierte Schicht 6, 13 ein regelmäßiges Gitter.
Die oben beschriebenen Strukturen der ersten und der zweiten strukturierten Schicht 6, 13 sowie der aktiven Schicht 2 weisen bevorzugt Abmessungen in der Größenordnung der Wellenlänge der von dem Halbleiterkörper emittierten Strahlung auf.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform weist die erste strukturierte Schicht 6 regelmäßige Strukturen, beispielsweise kegelstumpfartige Vorsprünge mit Abmessungen von mehreren µm auf und die zweite strukturierte Schicht 13 eine zufällige Strukturierung, die beispielsweise durch Aufrauen der strahlungsemittierenden Vorderseite 5 des Halbleiterkörpers erzeugt werden kann.
Der Halbleiterkörper gemäß der 5 weist im Unterschied zu dem Halbleiterkörper gemäß der 1E eine erste strukturierte Schicht 6 auf, die über ihre gesamte Dicke gemäß einer ersten dielektrischen Funktion ε(x) strukturiert ist. Die Struktur der ersten strukturierten Schicht 6 ist bei diesem Ausführungsbeispiel bis in die aktive Schicht 2 fortgesetzt, dass heißt, dass vorliegend die aktive Schicht 2 auf der zur ersten strukturierten Schicht 6 gewandten Seite eine Strukturierung gemäß einer dritten dielektrischen Funktion ε(x) aufweist, wobei die erste dielektrische Funktion ε(x) der dritten dielektrischen Funktion ε(x) entspricht. Durch die Strukturierung sind die Hohlräume 8 in der ersten strukturierten Schicht zu Durchbrüchen 81 ausgebildet, die sich als Hohlräume 82 in die aktive Schicht 2 fortsetzten. Die Durchbrüche 81 der ersten strukturierten Schicht 6 sind durch Vorsprünge 7 voneinander getrennt, wobei sich die Vorsprünge 7 in die ak tive Schicht 2 fortsetzten und dort entsprechend der Hohlräume 82 voneinander getrennt sind.
Weiterhin weist der Halbleiterkörper gemäß der 5 zwischen der aktiven Schicht 2 und der strahlungsemittierenden Vorderseite 5 einen DBR-Spiegel 17 innerhalb der Halbleiterschicht 3 auf. Vorliegend ist der DBR-Spiegel 17 also Teil der Halbleiterschichtenfolge 1 und wird wie diese bevorzugt epitaktisch gewachsen. Basiert der Halbleiterkörper auf Galliumnitrid, so kann ein DBR-Spiegel 17 beispielsweise aus periodischen GaN und AlGaN-Schichten aufgebaut sein (in der Figur nicht dargestellt). Weitere mögliche Halbleitermaterialien, insbesondere für Phosphid-basierte Halbleiterkörper geeignet, ist eine periodische Schichtabfolge aus AlGaAs-Schichten, wobei der Al-Gehalt variiert.
Alternativ ist es auch möglich, dass der DBR-Spiegel 17 auf der Vorderseite 5 des Halbleiterkörpers aufgebracht ist. Weiterhin kann der DBR-Spiegel 17 auch aus dielektrischen Materialien aufgebaut sein, insbesondere, wenn er sich auf der Vorderseite 5 des Halbeiterkörpers befindet.
Die 6A und 7 zeigen schematische Draufsichten auf zweckmäßige Strukturen, wie sie in der ersten, der zweiten strukturierten Schicht 6, 13 sowie der aktiven Schicht 2 ausgebildet sein können.
Die Struktur gemäß der 6A weist Löcher 14 auf, die in dem Material Hohlräume 8 ausbilden. Diese Hohlräume 8 sind durch Vorsprünge 7 in dem Material voneinander getrennt. Die Löcher 14 sind bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 6A auf den Gitterpunkten 15 eines hexagonalen Gitters 16 angeordnet. Die Vorsprünge 7 und die Hohlräume 8 sind in der Schnittdarstellung der 6B entlang der Linie AA' dargestellt. Vorliegend sind die Vorsprünge 7 aus einem Material mit einem relativ hohen Brechungsindex, beispielsweise einem Halbleitermaterial gebildet, und die Hohlräume 8 mit Luft gefüllt. Die Hohlräume 8 können aber auch, wie bereits oben in Verbindung der 3 beschrieben, mit einem dielektrischen Material mit niedrigerem Brechungsindex, beispielsweise Siliziumdioxid, gefüllt sein. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass sich die Löcher 14 beispielsweise auch konisch innerhalb der strukturierten Schicht 6, 13 verjüngen können oder mit sich anderweitig änderndem innerem Durchmesser ausgestaltet sein können.
Die Strukturierung der ersten, der zweiten strukturierten Schicht 6, 13 bzw. der aktiven Schicht mit Hohlräumen 8 führt vorliegend zu einer Variation der ersten, ggf. zweiten und/oder ggf. dritten dielektrischen Funktion ε(x) der Oberfläche aufgrund des Brechungsindexsprungs zwischen den Vorsprüngen 7 und den Hohlräumen 8. Vorliegend ist der Realteil der dielektrische Funktion als dielektrische Funktion dargestellt. Es ist jedoch auch möglich, dass die dielektrische Funktion ε(x) komplexe Anteile aufweist, etwa wenn die strukturierte Schicht 6, 13 metallische Materialien aufweist. Diese können beispielsweise in den Hohlräumen enthalten sein. Weiterhin kann ein imaginärer Anteil der dielektrischen Funktion ε(x) ihren Ursprung auch in einem Absorptionskoeffizienten für die von dem optoelektronischen Bauelement ausgesendete elektromagnetische Strahlung haben. Ein solcher Absorptionskoeffizient ist jedoch bevorzugt sehr gering.
Die resultierende erste, zweite bzw. dritte dielektrische Funktion ε(x) entlang der Linie BB' oder auch entlang der Linie AA' ist schematisch in der 6C dargestellt. Die die lektrische Funktion ε(x) weist im Bereich der Vorsprünge 7 einen konstanten Wert, in der Regel zwischen 6 und 11, auf, der deutlich höher liegt als der Wert im Bereich der Hohlräume 8, der bei 1 liegt. Im Bereich der Hohlräume 8 weist die dielektrische Funktion ε(x) ebenfalls einen im wesentlichen konstanten Wert auf.
Die 7 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere mögliche Strukturierung der ersten, ggf. der zweiten strukturierten Schicht 6, 13 und/oder ggf. der aktiven Schicht 2. Im Unterschied zu der Strukturierung gemäß 6A zeigt die 7 Löcher 14, die auf den Gitterpunkten 15 eines quadratischen Gitters 16 angeordnet sind.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Optoelektronischer Halbleiterkörper mit einer strahlungsemittierenden Vorderseite (5) umfassend: – eine Halbleiterschichtenfolge (1) mit einer aktiven Schicht (2), die geeignet ist, im Betrieb elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, – ein Trägerelement (10), das mit der Halbleiterschichtenfolge (1) verbunden ist und diese stützt, – eine erste strukturierte Schicht (6) zwischen der aktiven Schicht (2) und dem Trägerelement (10), die gemäß einer ersten lateral variierenden dielektrischen Funktion (ε(x)) strukturiert ist, – eine zweite strukturierte Schicht (13) auf der Vorderseite (5), die gemäß einer zweiten lateral variierenden dielektrischen Funktion (ε(x)) strukturiert ist, wobei die Abmessungen der lateralen Variation der ersten und der zweiten dielektrischen Funktion (ε(x)) kleiner oder gleich der Wellenlänge der von dem Halbleiterkörper emittierten Strahlung sind.
Optoelektronischer Halbleiterkörper mit einer strahlungsemittierenden Vorderseite (5) umfassend: – eine Halbleiterschichtenfolge (1) mit einer aktiven Schicht (2), die geeignet ist, im Betrieb elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, – ein Trägerelement (10), das mit der Halbleiterschichtenfolge (1) verbunden ist und diese stützt, – eine erste strukturierte Schicht (6) zwischen der aktiven Schicht (2) und dem Trägerelement (10), die gemäß einer ersten lateral variierenden dielektrischen Funktion (ε(x)) strukturiert ist, deren Abmessungen der lateralen Variation der ersten dielektrischen Funktion (ε(x)) mehrere µm aufweist. – eine zweite strukturierte Schicht (13) auf der Vorderseite (5) des Halbleiterkörpers, die gemäß einer zweiten lateral variierenden dielektrischen Funktion (ε(x)) strukturiert ist, deren Abmessungen der lateralen Variation kleiner oder gleich der Wellenlänge der von dem Halbleiterkörper emittierten Strahlung sind.
Optoelektronischer Halbleiterkörper mit einer strahlungsemittierenden Vorderseite (5) umfassend: – eine Halbleiterschichtenfolge (1) mit einer aktiven Schicht (2), die geeignet ist, im Betrieb elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, – ein Trägerelement (10), das mit der Halbleiterschichtenfolge (1) verbunden ist und diese stützt, und – eine erste strukturierte Schicht (6) zwischen der aktiven Schicht (2) und dem Trägerelement, die gemäß einer ersten lateral variierenden dielektrischen Funktion (ε(x)) strukturiert ist.
Optoelektronischer Halbleiterkörper nach Anspruch 3, bei dem die strahlungsemittierende Vorderseite (5) des Halbleiterkörpers eine zweite strukturierte Schicht (13) aufweist, die gemäß einer zweiten lateral variierenden dielektrischen Funktion (ε(x)) strukturiert ist.
Optoelektronischer Halbleiterkörper nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die aktive Schicht (2) zumindest teilweise gemäß einer dritten lateral variierenden dielektrischen Funktion (ε(x)) strukturiert ist.
Optoelektronischer Halbleiterkörper nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 oder 5 unter Rückbezug auf eine der Ansprüche 1, 2 oder 4, bei dem die erste und/oder ggf. die zweite strukturierte Schicht (6, 13) einen zweidimensionalen oder dreidimensionalen photonischen Kristall aufweist.
Optoelektronischer Halbleiterkörper nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die erste, die ggf. die zweite und/oder ggf. die dritte lateral variierende dielektrische Funktion (ε(x)) einem periodischen oder quasiperiodischen Muster entspricht.
Optoelektronischer Halbleiterkörper nach Anspruch 7, bei dem das Muster ein Archimedisches Gitter, ein Fibonacci-Gitter, ein Amman-Gitter, ein Robinson-Gitter oder ein Penrose Gitter ist.
Optoelektronischer Halbleiterkörper nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die erste, ggf. zweite und/oder ggf. dritte dielektrische Funktion (ε(x)) stochastisch ist.
Optoelektronischer Halbleiterkörper nach einem der Ansprüche 2, 4 und 5 bis 9 unter Rückbezug auf einen der Ansprüche 2 oder 3, bei dem die Abmessungen der lateralen Variation der ersten, ggf. zweiten und/oder ggf. dritten dielektrischen Funktion (ε(x)) kleiner oder gleich der Wellenlänge der von dem Halbleiterkörper emittierten Strahlung sind.
Optoelektronischer Halbleiterkörper nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die erste strukturierte Schicht (6) an ihrer von der strahlungsemittierenden Vorderseite (5) abgewandten Seite Vorsprünge (7) aufweist, die durch Hohlräume (8) voneinander getrennt sind.
Optoelektronischer Halbleiterkörper nach Anspruch 11, bei dem die Hohlräume (8) mit einem dielektrischen Material gefüllt sind.
Halbleiterkörper nach einem der obigen Ansprüche, bei dem zwischen der ersten strukturierten Schicht (6) und dem Trägerelement (10) eine reflektierende Schicht (9) angeordnet ist.
Optoelektronischer Halbleiterkörper nach Anspruch 13, bei dem die reflektierende Schicht (9) eine hochreflektierende metallische Schicht (91) umfasst.
Optoelektronischer Halbleiterkörper nach Anspruch 14, bei dem die hochreflektierende metallische Schicht (91) Silber, Aluminium oder Gold aufweist.
Optoelektronischer Halbleiterkörper nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem die reflektierende Schicht (9) eine Kontaktschicht (92) umfasst.
Optoelektronischer Halbleiterkörper nach Anspruch 16, bei dem die Kontaktschicht (92) ein transparentes, leitendes Oxid (TCO), Silber, Aluminium oder Gold aufweist.
Optoelektronischer Halbleiterkörper nach einem der Ansprüche 16 bis 17, bei dem die Kontaktschicht (92) nur auf den Vorsprüngen (7) der ersten strukturierten Schicht (6) ausgebildet ist.
Optoelektronischer Halbleiterkörper nach einem der Ansprüche 13 bis 18, bei dem die reflektierende Schicht (9) eine dielektrische Schicht (93) umfasst.
Optoelektronischer Halbleiterkörper nach Anspruch 19, bei dem die dielektrische Schicht (93) Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Siliziumoxid oder Siliziumoxynitrid aufweist.
Optoelektronischer Halbleiterkörper nach einem der obigen Ansprüche, bei dem in der vorgegebenen Abstrahlrichtung des Halbleiterkörpers nachfolgend auf die aktive Schicht (2) ein Distributed-Bragg-Reflector-Spiegel (17) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines optelektronischen Halbleiterkörpers mit den Schritten: – epitaktisches Aufwachsen einer Halbleiterschichtenfolge (1) mit einer aktiven Schicht (2), die geeignet ist im Betrieb elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, auf einem Aufwachssubstrat (12), – Strukturieren der von dem Aufwachssubstrat abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge (1) derart, dass diese Seite eine erste strukturierte Schicht (6) aufweist, die gemäß einer ersten lateral variierenden dielektrischen Funktion (ε(x)) strukturiert ist oder Aufbringen einer ersten strukturierten Schicht (6), deren von dem Aufwachsubstrat (12) abgewandeten Seite gemäß einer ersten lateral variierenden dielektrischen Funktion (ε(x)) strukturiert ist, auf die Halbleiterschichtenfolge (1), – Verbinden der von dem Aufwachssubstrat (12) abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge (1) oder der ersten strukturierten Schicht (6) mit einem Trägerelement (10), und – Entfernen oder Dünnen des Aufwachssubstrates (12).
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem das Trägerelement mit der ersten strukturierten Schicht (6) mittels Kleben, Löten oder Bonden verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 23, bei dem zwischen dem Trägerelement (10) und der ersten strukturierten Schicht (6) eine reflektierende Schicht (9) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, bei dem die Vorderseite (5) des Halbleiterkörpers mit einer zweiten strukturierten Schicht (13) versehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, bei dem die erste und/oder ggf. zweite strukturierte Schicht (6, 13) mittels optischer Lithographie, (Nano-)Imprintlithographie oder Elektronenstrahllithographie hergestellt wird.