DE102018111021A1 - Lichtemittierendes halbleiterbauteil und verfahren zur herstellung eines licht emittierenden halbleiterbauteils - Google Patents

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

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Adrian Stefan Avramescu
Siegfried Herrmann
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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

  • 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 µm 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 µm, insbesondere höchstens 25 µm beträgt. Die vertikale Erstreckung des Konversionselements kann wenigstens 100 nm bis hin zu einigen µm 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 µm 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 µm, insbesondere von höchstens 1 µm 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 SiO2 oder TiO2 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 µm gewählt wird. Beispielsweise kann die Dicke des Matrixmaterials in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Halbleiterbauteils dann 2 µm 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 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F, 1G, 1H, 1I, 1J, 1K, 1L werden Ausführungsbeispiele eines hier beschriebenen Verfahrens anhand von schematischen Schnittdarstellungen näher erläutert.
  • Anhand der schematischen Schnittdarstellungen der 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 9A, 9B, 9C, 9D, 9E, 9F zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Verfahrens zur Herstellung eines Licht emittierenden Halbleiterbauteils.
  • Die schematischen Darstellungen der 10, 11, 12, 13 zeigen weitere Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen Licht emittierenden Halbleiterbauteilen.
  • Anhand der grafischen Darstellungen der 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 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 1a und eine der Oberseite abgewandte Unterseite 1c. Der Halbleiterkörper 1 ist beispielsweise auf einem Aufwachssubstrat 2 aufgebracht, das beispielsweise mit Saphir gebildet sein kann.
  • In einem nächsten Verfahrensschritt, 1B, wird eine Maske 3, die beispielsweise elektrisch isolierend ausgebildet ist und eine erste Öffnung 31 aufweist, an der Oberseite 1a 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, 1C, 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 SiO2 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, 1D, 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, 1E. Die Passivierung 6 und die Passivierung 54 sind zum Beispiel mit SiO2 gebildet.
  • In der schematischen Schnittdarstellung der 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, 1G, 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, 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, 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, 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, 1K, erfolgt eine Strukturierung des Halbleiterkörpers 1 in Bereiche 1b mittels Gräben 30, die sich teilweise oder vollständig durch den Halbleiterkörper 1 von der Unterseite 1c in Richtung der Oberseite 1a erstrecken können.
  • Im nächsten Verfahrensschritt, 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 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 1c 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 1c des Halbleiterkörpers 1 hin vollständig durchdringt.
  • In Verbindung mit der 3 ist eine mögliche Kontaktierung für das Halbleiterbauteil der 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 1c und an der der Oberseite 1a 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 1b des Halbleiterkörpers, die durch passivierte Gräben 30 voneinander getrennt sind und damit unabhängig voneinander betreibbar sind.
  • In Verbindung mit der 4 ist ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 2 eine Abstrahlung von der Oberseite 1a des Halbleiterkörpers 1 erfolgt. Zu diesem Zweck ist an der Unterseite 1c 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 1a 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 5 zeigt eine Kontaktierungsmöglichkeit zum Ausführungsbeispiel der 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 1c des Halbleiterkörpers erstrecken. Durch Gräben 30, die sich von der Unterseite 1c des Halbleiterkörpers bis in den zweiten dotierten Bereich 12 erstrecken, ist der Halbleiterkörper in Bereiche 1b 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 1b voneinander. Die Kontaktelemente 71 können T-förmig ausgeführt sein und hindern damit zusätzlich zum dielektrischen Spiegel 102 blaues Licht am Austritt.
  • Im Ausführungsbeispiel der 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 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 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 9A bis 9F wird ein weiteres Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Verfahrens näher erläutert.
  • Bei dem Verfahren wird zunächst, 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 8B dargestellt sind, hergestellt werden.
  • Im nachfolgenden Verfahrensschritt, 9B, erfolgt ein Transferprozess durch das Bereitstellen des Matrixmaterials 110, welches die Konversionselemente 4, 5 an ihren freiliegenden Außenflächen vollständig umgibt, 9C.
  • Das Matrixmaterial 110 kann dabei beispielsweise beim Einbetten der Konversionselemente 4, 5 bereits vorgehärtet sein. Im in Verbindung mit der 9D beschriebenen Verfahrensschritt werden die Konversionselemente hier samt der Maske 3 abgelöst.
  • In Verbindung mit der 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 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 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 d1 des Matrixmaterials 110 kann besonders klein gewählt sein und beispielsweise maximal 1 µm betragen.
  • In Verbindung mit der schematischen Darstellung der 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Licht emittierenden Halbleiterbauteils näher erläutert. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 9F ist das Matrixmaterial 110 hier dicker gewählt und weist beispielsweise eine Dicke d1 von 2 µm 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 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 µm oder weniger betragen.
  • In Verbindung mit der 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 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 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 d1, maximal 1 µm betragen.
  • Im Ausführungsbeispiel der 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 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 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 Priorität der deutschen Patentanmeldung 102017129940.8 , deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Halbleiterkörper
    1a
    Oberseite
    1b
    Bereich
    1c
    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
    d1
    vertikale Erstreckung
    d2
    laterale Erstreckung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2014/0070246 [0001]
    • DE 102017129940 [0107]

Claims (17)

  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 (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) 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 (1a) des Halbleiterkörpers (1) angeordnet ist, - das zweite Konversionselement (5) als Körper ausgebildet ist, der den Halbleiterkörper (1) an seiner Oberseite (1a) 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 (1a) 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 (1b) strukturiert ist, die unabhängig voneinander betreibbar sind, wobei zumindest einem der Bereiche (1b) eines der Konversionselemente (4, 5) zugeordnet ist.
  9. Licht emittierendes Halbleiterbauteil nach einem der vorherigen Ansprüche mit - einem dielektrischen Spiegel (102) an der Oberseite (1a) oder an einer der Oberseite (1a) abgewandten Unterseite (1c) 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 (1a) des Halbleiterkörpers (1), - epitaktisches Erzeugen einer Vielzahl von erster und/oder zweiter Konversionselemente (4, 5) an der Oberseite (1a) 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 (1a) 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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