WO2019077034A1 - Epitaxie-wellenlängenkonversionselement, licht emittierendes halbleiterbauelement sowie verfahren zur herstellung des epitaxie-wellenlängenkonversionselements und des licht emittierenden halbleiterbauelements - Google Patents

Epitaxie-wellenlängenkonversionselement, licht emittierendes halbleiterbauelement sowie verfahren zur herstellung des epitaxie-wellenlängenkonversionselements und des licht emittierenden halbleiterbauelements Download PDF

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wavelength conversion
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Alexander TONKIKH
Tansen Varghese
Martin Rudolf Behringer
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Definitions

  • EPITAXIAL WAVELENGTH CONVERSION ELEMENT LIGHT EMITTING SEMICONDUCTOR ELEMENT, AND METHOD FOR PRODUCING THE EPITAXIAL WAVELENGTH CONVERSION ELEMENT AND THE LIGHT
  • An epitaxial wavelength conversion element, a light-emitting semiconductor component and methods for producing the epitaxial wavelength conversion element and the light-emitting semiconductor component are specified.
  • Wavelength converters of semiconductor materials which absorb in one active layer photoluminescence-exciting light of one wavelength and emit light of a different wavelength.
  • the active layer by the stimulating light
  • Such a wavelength converter comprises a semiconductor material in another layer, which can also absorb exciting light and thereby generate pairs of charge carriers, which, however, are captured at surfaces or interfaces and non-radiantly recombine there. Thus, stimulating light for photoluminescence is lost, which reduces the efficiency of the wavelength converter.
  • At least one object of certain embodiments is to provide an epitaxial wavelength conversion element. At least one more task of certain
  • Specify semiconductor device with an epitaxial wavelength conversion element are to provide methods for making the same.
  • an epitaxial wavelength conversion element has a semiconductor layer sequence with an active layer which is provided and arranged to absorb light in a first wavelength range and light in a second wavelength range
  • Wavelength range which is different from the first wavelength range to reemit.
  • such an epitaxial wavelength conversion element is an epitaxial wavelength conversion element
  • the epitaxial wavelength conversion element can in particular be produced by an epitaxial process, ie by epitaxial growth of one or more
  • Suitable epitaxy methods may be, for example
  • MOVPE metalorganic vapor phase epitaxy
  • a light-emitting semiconductor component has such an epitaxial wavelength conversion element.
  • the epitaxial wavelength conversion element has a semiconductor layer sequence with a photoluminescent active layer, in which photons are generated by excitation and recombination of charge carriers, in particular of electron-hole pairs.
  • the excitation takes place by irradiation of excitation light in the form of light in a first
  • Wavelength range that can be absorbed in the semiconductor layer sequence and in particular in the active layer may be irradiated by an external pumping light source such as a light emitting semiconductor chip. Since usually photons are absorbed which have a higher energy than the photons generated by recombination in the active layer, the active region emits light converted by the recombination in the second wavelength range, the is different from the first wavelength range.
  • the epitaxial wavelength conversion element can also be simply referred to below as a wavelength conversion element.
  • the semiconductor layer sequence can also have a plurality of active layers instead of the one active layer described here and below.
  • the active layer can be
  • a conventional pn junction for example, a conventional pn junction, a
  • the semiconductor layer sequence has at least one first and one second cladding layer, between which the active layer is arranged.
  • Sheath layers are referred to here and below in particular as those semiconductor layers, which in the semiconductor layer sequence in
  • Growth direction are arranged on both sides of the active layer and which has an inclusion region for
  • Sheath layer may also be referred to as carrier barrier layers or confinement layers.
  • the cladding layers have a larger bandgap than the active layer disposed therebetween.
  • the cladding layers are particularly necessary, carrier recombinations
  • the active layer can be deposited on a III-V
  • Compound semiconductor material system in particular a phosphide and / or arsenide
  • Compound semiconductor material system ie In x Al y Gai x - y P and / or In x Al y Gai x - y As, each with O ⁇ x ⁇ l, O ⁇ y ⁇ l and x + y ⁇ 1.
  • the semiconductor layer sequence at least one semiconductor layer or a plurality of
  • the compound semiconductor material system and the arsenide compound semiconductor material system may be referred to briefly as InAlGaP and InAlGaAs.
  • Semiconductor layer sequence comprising at least one active layer based on InGaAlP can, if appropriate
  • Excitation preferably emit light with one or more spectral components in a green to red wavelength range.
  • a semiconductor layer sequence which has at least one active layer based on InAlGaAs can, with appropriate excitation, preferably emit light with one or more spectral components in a red to infrared wavelength range.
  • the semiconductor layer sequence is epitaxially on a
  • substrate materials may be, for example, semiconductor materials such as in particular GaAs or GaP, GaSb, Ge or Si own.
  • substrate materials may be, for example, semiconductor materials such as in particular GaAs or GaP, GaSb, Ge or Si own.
  • InAlGaP and InAlGaAs layers can be grown lattice-matched.
  • the first cladding layer can be grown on the growth substrate.
  • the active layer can be grown.
  • the second cladding layer can be grown.
  • the growth substrate may also be possible for the growth substrate to be detached after the growth of the semiconductor layer sequence. This may be advantageous in the case of a GaAs growth substrate, for example this opaque may be for the light generated in the active layer in the second wavelength range.
  • the first one is based
  • a cladding layer such as the active layer on an aforementioned III-V compound semiconductor material system.
  • a variation of the bandgaps of the first cladding layer and the active layer can be effected by a variation of the respective phosphide and / or arsenide compound semiconductor material.
  • the ratio of Ga atoms to Al atoms can be to a
  • the first cladding layer has a higher aluminum content than the active layer.
  • the active layer is InAlGaP with a bandgap of about 1.9 eV or more
  • the first cladding layer may include InAlP having a bandgap of about 2.36 eV.
  • the second one is based
  • Cladding layer on an II-VI compound semiconductor material system Cladding layer on an II-VI compound semiconductor material system.
  • Compound semiconductor material may comprise at least one element of the second main group, for example selected from Be, Mg, Ca, Sr, Zn and Cd, as well as at least one element from the sixth main group, for example selected from O, S, Se and Te.
  • the II-VI the II-VI
  • Compound semiconductor material system a binary, ternary or quaternary compound with one or more of these
  • the second cladding layer has one or more Group II elements selected from Mg and Zn and one or more Group VI elements selected from S and Se.
  • Particularly preferred materials for the second cladding layer may be ZnSe, ZnSSe, and ZnMgSSe, respectively.
  • the choice of the II-VI compound semiconductor material for the second cladding layer depends, on the one hand, on the energy of the exciting photons, since the second semiconductor layer should preferably be transparent for the light that excites the active layer in the first wavelength range.
  • the wavelength conversion element can be used such that the exciting light in the first wavelength range is irradiated through the second cladding layer into the active layer and the light generated in the active layer is radiated through the first cladding layer in the second wavelength range.
  • the compound semiconductor material for the second cladding layer may include a material having a larger bandgap than a III-V compound semiconductor material, whereby the absorption of exciting light in the second cladding layer can be reduced.
  • the choice of material of the second cladding layer depends on the condition that the second cladding layer is grown on the active layer as lattice-matched as possible. For example, in the case of green excitation light with a
  • Wavelength of 525 nm have the second cladding layer ZnSe with a bandgap of 2.71 eV or be it.
  • a perfectly lattice-matched material may also be ZnSeo, osSeo, 92 with a bandgap greater than or equal to 2.71 eV.
  • the material of the second cladding layer may preferably be ZnMgSSe having a band gap of greater than or equal to 2.9 eV his.
  • tension-stressed ZnS x Sei- x may be suitable as a material for the second cladding layer.
  • the second cladding layer can be grown as a terminating layer of the semiconductor layer sequence and accordingly a window layer of the
  • the second cladding layer may in particular be the sole layer of the
  • Compound semiconductor material system is based, so that the II-VI compound semiconductor material according to the III-V
  • the first cladding layer or the second cladding layer directly adjoin the active layer.
  • the first and second cladding layers each directly adjoin the active layer.
  • the semiconductor layer sequence between the active layer and the second cladding layer may also be possible for the semiconductor layer sequence between the active layer and the second cladding layer to have a third cladding layer which, like the active layer, has a third cladding layer III-V compound semiconductor material system based.
  • the first and the third cladding layer may comprise or be of the same material.
  • the third cladding layer may preferably be thin and have a thickness of greater than or equal to 5 nm and less than or equal to 100 nm.
  • the light-emitting semiconductor chip may be any one
  • Lichtauskoppel Based a light in the first wavelength range, which emits an excitation light for the epitaxial wavelength conversion element.
  • the epitaxial wavelength conversion element is in particular with the second cladding layer on the light output surface
  • the light-emitting semiconductor chip can be provided and the epitaxial wavelength conversion element can be produced according to the method described above, wherein the wavelength conversion element is mounted on the light-outcoupling surface of the light-emitting semiconductor chip after the second cladding layer has grown with the second cladding layer, such that the first cladding layer is disposed on the side of the active layer of the wavelength conversion element opposite the light-emitting semiconductor chip. Subsequently, the growth substrate can be removed. Connecting the
  • Wavelength conversion element with the light-emitting semiconductor chip can be carried out in particular in the wafer composite become. After detachment of the growth substrate, the wafer composite can be emitted into a plurality of light-emitting
  • Semiconductor devices are each isolated with a light-emitting semiconductor chip and an epitaxial wavelength conversion element.
  • Cladding layer can be arranged to connect the light-emitting semiconductor chip with the wavelength conversion element, a bonding layer.
  • the bonding layer may comprise a dielectric material, for example an organic bonding material such as BCB (Benzocyclobutene) or an inorganic one
  • Bonding material such as an oxide or oxynitride.
  • the connecting material may be SiON in the latter case.
  • the connecting material may be SiON in the latter case.
  • Bonding layer may also be the second cladding layer
  • Lichtauskoppel design be arranged and mounted. This can be done by a direct wafer bonding process.
  • the epitaxial wavelength conversion element thus have a roughening on the side facing away from the light-emitting semiconductor chip.
  • the roughening to improve the
  • Light extraction from the wavelength conversion element may be provided, for example, may have a feature size of greater than or equal to 200 nm and less than or equal to 1 ym and more preferably greater than or equal to 500 nm and less than or equal to 700 nm.
  • FIGS. 1A to IC are schematic representations of
  • FIGS. 2A and 2B are schematic representations of epitaxial wavelength conversion elements according to others
  • FIGS. 3A to 3C are schematic representations of
  • Figure 4 is a schematic representation of a
  • FIGS. 1A to 1C show an exemplary embodiment of a method for producing an epitaxial wavelength conversion element 100.
  • a growth substrate 2 is produced
  • a substrate wafer can thus be provided, on which the
  • Semiconductor layer sequence 1 is grown over a large area. By a final singulation, a plurality of wavelength conversion elements 100 can be generated.
  • the growth substrate 2 in the exemplary embodiment shown is a GaAs substrate that is equally suitable,
  • the active layer 10 may be formed as indicated, for example, as a multiple quantum well structure. Alternatively, for example, a single quantum well structure, a pn junction or a
  • the active layer 10 in the illustrated embodiment has InAlGaP with a bandgap of about 1.9 eV or more, the first one has
  • a second cladding layer 12 based on an II-VI compound semiconductor material system is grown on the active layer 10.
  • the material of the second cladding layer 12 is chosen such that the second cladding layer 12, which is grown directly on the active layer 10, has a larger bandgap than the active layer 10 and, in addition, can be grown on it in a lattice-matched manner. Furthermore, the material of the second cladding layer 12 becomes a desired one in view of its transmission properties
  • the second cladding layer 12 may preferably have ZnSe with a bandgap of
  • the material of the second cladding layer may preferably be ZnMgSSe having a bandgap of greater than or equal to 2.9 eV. Alternatively, it can also tensioned ZnS x Sei- x be suitable as material for the second cladding layer.
  • Compound semiconductor material for the second cladding layer larger band gaps and thus a higher light transmittance and an improved inclusion of charge carriers possible.
  • lattice-matched growth it may be possible to create a defect-free interface between the III-V and II-VI compound semiconductor materials, thereby eliminating the risk of carrier recombinations at this interface.
  • the second cladding layer 12 is grown as the last layer of the semiconductor layer sequence 1, so that contamination between the different
  • the cladding layer 12 thus forms a
  • GaAs growth substrate 2 it may be advantageous if the growth substrate after the production of the
  • Semiconductor layer sequence 1 is thinned or preferably completely detached, as indicated in FIG. 1C, since GaAs is particularly suitable for light which is caused by a phosphorous
  • Compound semiconductor material based active layer can be produced may be opaque.
  • FIGS. 2A and 2B show further exemplary embodiments of epitaxial wavelength conversion elements 100 which can be produced in accordance with the previously described method.
  • FIGS. 2A and 2B show further exemplary embodiments of epitaxial wavelength conversion elements 100 which can be produced in accordance with the previously described method.
  • FIGS. 2A and 2B show further exemplary embodiments of epitaxial wavelength conversion elements 100 which can be produced in accordance with the previously described method.
  • FIGS. 2A and 2B show further exemplary embodiments of epitaxial wavelength conversion elements 100 which can be produced in accordance with the previously described method.
  • Wavelength conversion element 100 of the previous Embodiment the wavelength conversion element of the embodiment of Figure 2A between the active layer 10 and the second cladding layer 12 has a third
  • Compound semiconductor material system may in particular have the same material as the first cladding layer 11. Due to the smaller band gap and the associated lower transparency of this material compared to the material of the second cladding layer 12, it may be advantageous if the third cladding layer 13 is thin, in particular with a thickness of greater than or equal to 5 nm and less than or equal to 100 nm.
  • the epitaxial wavelength conversion element 100 of FIG. 1 The epitaxial wavelength conversion element 100 of FIG.
  • Embodiment of Figure 2B has on the side facing away from the active layer 10 side of the first cladding layer 11 on a roughening 14. This can be particularly advantageous in terms of light extraction and, for example, have feature sizes in the range of 200 nm to 1 ym.
  • FIGS. 3A to 3C a method for producing a light-emitting semiconductor component 200 having an epitaxial wavelength conversion element 100 is described.
  • the wavelength conversion element 100 is designed purely by way of example according to the exemplary embodiment of FIGS. 1A to 1C. Alternatively, the
  • Wavelength conversion element 100 but also have features of the other previously described embodiments.
  • For producing the light-emitting semiconductor device 200 as shown in FIG.
  • semiconductor layer sequence 1 attached.
  • the method step shown in FIG. 3A can be carried out between the method steps shown in FIGS. 1B and 1C, that is to say even before detachment of the growth substrate 2.
  • the method step shown can be carried out in the wafer composite. That is, a semiconductor wafer is provided with a plurality of areas that light
  • connection layer 3 the second
  • Mantle layer 12 mounted on the light output surface 41, so that the growth substrate 2 on the side facing away from the light-emitting semiconductor chip 4 of the
  • Semiconductor layer sequence 1 is arranged.
  • dielectric organic or inorganic materials are suitable as connecting materials for the bonding layer 3.
  • a suitable organic compound is selected from organic
  • bonding material may be BCB, while a suitable inorganic bonding material may be, for example, SiON.
  • suitable inorganic bonding material may be, for example, SiON.
  • such materials also have a high degree of transparency for those to be used
  • Cladding layer 11 is a decoupling layer of the
  • Wavelength conversion element 100 and thus also the light-emitting semiconductor device 200 forms.
  • a plurality of such light emitting semiconductor devices 200 can be manufactured.
  • the light extraction during operation of the semiconductor light-emitting device 200 may be direct or by means of a lens (not shown) to the surrounding air.
  • FIG. 3C is a schematic band diagram for the principal positions of the band gaps of the individual layers of the light-emitting element shown in FIG. 3B
  • Wavelength conversion element 100 can be improved compared to conventional, based exclusively on III-V compound semiconductor materials Epi converters.
  • FIG. 4 shows the method step of FIG. 3A
  • Semiconductor chips 4 is mounted. This can be done in particular by a direct wafer bonding process.
  • Embodiments are combined with each other, even if not all combinations are explicitly described.
  • the invention is not limited by the description based on the embodiments of these. Rather, it includes The invention relates to any novel feature as well as any combination of features, which in particular includes any combination of features i the claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly in the

Abstract

Es wird ein Epitaxie-Wellenlängenkonversionselement (100) angegeben, das eine Halbleiterschichtenfolge (1) mit einer zwischen einer ersten Mantelschicht (11) und einer zweiten Mantelschicht (12) angeordneten aktiven Schicht (10) aufweist, die dazu eingerichtet ist, Licht in einem ersten Wellenlängenbereich zu absorbieren und Licht in einem zweiten Wellenlängenbereich, der vom ersten Wellenlängenbereich verschieden ist, zu reemittieren, wobei die erste Mantelschicht und die aktive Schicht auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem basieren und wobei die zweite Mantelschicht auf einem II-VI-Verbindungshalbleitermaterialsystem basiert. Weiterhin werden ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement mit einem Licht emittierenden Halbleiterchip und einem Epitaxie-Wellenlängenkonversionselement sowie Verfahren zur Herstellung des Epitaxie-Wellenlängenkonversionselements und des Licht emittierenden Halbleiterbauelements angegeben.

Description

Beschreibung
EPITAXIE-WELLENLÄNGENKONVERSIONSELEMENT, LICHT EMITTIERENDES HALBLEITERBAUELEMENT SOWIE VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG DES EPITAXIE-WELLENLÄNGENKONVERSIONSELEMENTS UND DES LICHT
EMITTIERENDEN HALBLEITERBAUELEMENTS
Es werden ein Epitaxie-Wellenlängenkonversionselement, ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement sowie Verfahren zur Herstellung des Epitaxie-Wellenlängenkonversionselements und des Licht emittierenden Halbleiterbauelements angegeben.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2017 124 559.6, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Es sind Wellenlängenkonverter aus Halbleitermaterialien bekannt, die in einer aktiven Schicht mittels Fotolumineszenz anregendes Licht einer Wellenlänge absorbieren und Licht mit einer anderen Wellenlänge emittieren. Durch das anregende Licht werden in der aktiven Schicht insbesondere
Ladungsträgerpaare erzeugt, die möglichst unter Lichtemission wieder rekombinieren. Es kann jedoch auch sein, dass ein solcher Wellenlängenkonverter ein Halbleitermaterial in einer anderen Schicht aufweist, das ebenfalls anregendes Licht absorbieren kann und dadurch Ladungsträgerpaare erzeugen kann, die jedoch an Oberflächen oder Grenzflächen eingefangen werden und dort nicht-strahlend rekombinieren. Damit geht anregendes Licht für die Fotolumineszenz verloren, was die Effizienz des Wellenlängenkonverters reduziert.
Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, ein Epitaxie-Wellenlängenkonversionselement anzugeben. Zumindest eine weitere Aufgabe von bestimmten
Ausführungsformen ist es, ein Licht emittierendes
Halbleiterbauelement mit einem Epitaxie- Wellenlängenkonversionselement anzugeben. Weitere Aufgaben von bestimmten Ausführungsformen liegen darin, Verfahren zur Herstellung dieser anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch Gegenstände und Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen und Weiterbildungen der Gegenstände und der Verfahren sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein Epitaxie- Wellenlängenkonversionselement eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Schicht auf, die dazu vorgesehen und eingerichtet ist, Licht in einem ersten Wellenlängenbereich zu absorbieren und Licht in einem zweiten
Wellenlängenbereich, der vom ersten Wellenlängenbereich verschieden ist, zu reemittieren.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform wird ein derartiges Epitaxie-Wellenlängenkonversionselement
hergestellt. Das Epitaxie-Wellenlängenkonversionselement kann insbesondere durch ein Epitaxieverfahren hergestellt werden, also mittels epitaktischen Aufwachsens von einer oder
mehreren Halbleiterschichten und damit einer
Halbleiterschichtenfolge auf einem Aufwachssubstrat .
Geeignete Epitaxieverfahrens können beispielsweise
metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) oder
Molekularstrahlepitaxie (MBE) sein. Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement ein derartiges Epitaxie-Wellenlängenkonversionselement auf . Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform wird ein Licht emittierenden Halbleiterbauelement mit einem derartigen
Epitaxie-Wellenlängenkonversionselement hergestellt .
Die vorab und nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale beziehen sich gleichermaßen auf das Epitaxie- Wellenlängenkonversionselement, das Verfahren zur Herstellung des Epitaxie-Wellenlängenkonversionselements, das Licht emittierende Halbleiterbauelement und das Verfahren zur
Herstellung des Licht emittierenden Halbleiterbauelements.
Die Erzeugung von Licht durch das Epitaxie- Wellenlängenkonversionselement beruht auf Fotolumineszenz. Entsprechend weist das Epitaxie- Wellenlängenkonversionselement eine Halbleiterschichtenfolge mit einer fotolumineszierenden aktiven Schicht auf, in der durch eine Anregung und Rekombination von Ladungsträgern, insbesondere von Elektron-Loch-Paaren, Photonen erzeugt werden. Hierbei erfolgt die Anregung durch Einstrahlung von Anregungslicht in Form von Licht in einem ersten
Wellenlängenbereich, das in der Halbleiterschichtenfolge und insbesondere in der aktiven Schicht absorbiert werden kann. Das Anregungslicht kann durch eine externe Pumplichtquelle wie beispielsweise einen Licht emittierenden Halbleiterchip eingestrahlt werden. Da üblicherweise Photonen absorbiert werden, die eine höhere Energie aufweisen als die Photonen, die durch Rekombination in der aktiven Schicht erzeugt werden, strahlt der aktive Bereich durch die Rekombination konvertiertes Licht im zweiten Wellenlängenbereich ab, der vom ersten Wellenlängenbereich verschieden ist. Das Epitaxie- Wellenlängenkonversionselement kann im Folgenden auch einfach als Wellenlängenkonversionselement bezeichnet werden. Die Halbleiterschichtenfolge kann anstelle der hier und im Folgenden beschriebenen einen aktiven Schicht auch mehrere aktive Schichten aufweisen. Die aktive Schicht kann
beispielsweise einen herkömmlichen pn-Übergang, eine
Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopfstruktur
( SQW-Struktur) oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur
(MQW-Struktur) und somit eine oder eine Mehrzahl geeigneter funktioneller Halbleiterschichten aufweisen.
Weiterhin weist die Halbleiterschichtenfolge zumindest eine erste und eine zweite Mantelschicht auf, zwischen denen die aktive Schicht angeordnet ist. Mit Mantelschichten werden hier und im Folgenden insbesondere solche Halbleiterschichten bezeichnet, die in der Halbleiterschichtenfolge in
Aufwachsrichtung auf beiden Seiten der aktiven Schicht angeordnet sind und die einen Einschlussbereich für
Ladungsträger bilden. Dementsprechend können die
Mantelschicht auch als Ladungsträger-Barriereschichten oder Einschlussschichten bezeichnet werden. Die Mantelschichten weisen insbesondere eine größere Bandlücke als die dazwischen angeordnete aktive Schicht auf. Die Mantelschichten sind insbesondere notwendig, Ladungsträgerrekombinationen
außerhalb der aktiven Schicht, beispielsweise an Oberflächen, zu verhindern. Die aktive Schicht kann auf einem III-V-
Verbindungshalbleitermaterialsystem basieren, insbesondere einem Phosphid- und/oder Arsenid-
Verbindungshalbleitermaterialsystem, also InxAlyGai-x-yP und/oder InxAlyGai-x-yAs , jeweils mit O ^ x ^ l, O ^ y ^ l und x + y < 1. Insbesondere kann die Halbleiterschichtenfolge zumindest eine Halbleiterschicht oder eine Mehrzahl von
Halbleiterschichten aufweisen oder daraus bestehen, die auf einem solchen Material basieren. Das Phosphid-
Verbindungshalbleitermaterialsystem und das Arsenid- Verbindungshalbleitermaterialsystem können kurz auch als InAlGaP und als InAlGaAs bezeichnet werden. Eine
Halbleiterschichtenfolge, die zumindest eine aktive Schicht auf Basis von InGaAlP aufweist, kann bei entsprechender
Anregung bevorzugt Licht mit einer oder mehreren spektralen Komponenten in einem grünen bis roten Wellenlängenbereich emittieren. Eine Halbleiterschichtenfolge, die zumindest eine aktive Schicht auf Basis von InAlGaAs aufweist, kann bei entsprechender Anregung bevorzugt Licht mit einer oder mehreren spektralen Komponenten in einem roten bis infraroten Wellenlängenbereich emittieren.
Die Halbleiterschichtenfolge wird epitaktisch auf einem
Aufwachssubstrat aufgewachsen. Als Substratmaterialien können sich beispielsweise Halbleitermaterialien wie insbesondere GaAs oder auch GaP, GaSb, Ge oder Si eigenen. Auf ein GaAs- Substrat können sowohl InAlGaP- als auch InAlGaAs-Schichten gitterangepasst aufgewachsen werden. Zur Herstellung des Epitaxie-Wellenlängenkonversionselements kann insbesondere die erste Mantelschicht auf dem Aufwachssubstrat aufgewachsen werden. Anschießend kann die aktive Schicht aufgewachsen werden. Wiederum anschließend kann die zweite Mantelschicht aufgewachsen werden. Darüber hinaus kann es auch möglich sein, dass nach dem Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge das Aufwachssubstrat abgelöst wird. Dies kann beispielsweise im Falle eines GaAs-Aufwachssubstrats vorteilhaft sein, da dieses opak für das in der aktiven Schicht erzeugte Licht im zweiten Wellenlängenbereich sein kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform basiert die erste
Mantelschicht wie die aktive Schicht auf einem vorgenannten III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem. Eine Variation der Bandlücken der ersten Mantelschicht und der aktiven Schicht kann durch eine Variation des jeweiligen Phosphid- und/oder Arsenid-Verbindungshalbleitermaterials erfolgen. Insbesondere das Verhältnis von Ga-Atomen zu AI-Atomen kann zu einer
Variation der Bandlücke bei gleichzeitig geringen Variationen der Gitterparameter führen. Besonders bevorzugt weist die erste Mantelschicht einen höheren Aluminiumgehalt als die aktive Schicht auf. Während die aktive Schicht beispielsweise InAlGaP mit einer Bandlücke von etwa 1,9 eV oder mehr
aufweisen kann, weist die erste Mantelschicht beispielsweise InAlP auf, das eine Bandlücke von etwa 2,36 eV aufweist.
Entsprechende Bandlückenvariationen sind vom Prinzip her auch möglich für den Fall, dass die aktive Schicht AlGaAs und die erste Mantelschicht AlGaAs mit einer anderen Zusammensetzung aufweisen .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform basiert die zweite
Mantelschicht auf einem II-VI- Verbindungshalbleitermaterialsystem. Ein II-VI-
Verbindungshalbleitermaterial kann wenigstens ein Element aus der zweiten Hauptgruppe, beispielsweise ausgewählt aus Be, Mg, Ca, Sr, Zn und Cd, sowie wenigstens ein Element aus der sechsten Hauptgruppe, beispielsweise ausgewählt aus O, S, Se und Te, aufweisen. Insbesondere umfasst das II-VI-
Verbindungshalbleitermaterialsystem eine binäre, ternäre oder quaternäre Verbindung mit einem oder mehreren dieser
Elemente. Besonders bevorzugt kann die zweite Mantelschicht ein oder mehrere Gruppe-II Elemente ausgewählt aus Mg und Zn und ein oder mehrere Gruppe-VI-Elemente ausgewählt aus S und Se aufweist. Besonders bevorzugte Materialien für die zweite Mantelschicht können entsprechend ZnSe, ZnSSe und ZnMgSSe sein.
Die Wahl des II-VI-Verbindungshalbleitermaterials für die zweite Mantelschicht hängt zum einen von der Energie der anregenden Photonen ab, da die zweite Halbleiterschicht bevorzugt transparent für das die aktive Schicht anregende Licht im ersten Wellenlängenbereich sein soll. Dadurch kann das Wellenlängenkonversionselement derart verwendet werden, dass das anregende Licht im ersten Wellenlängenbereich durch die zweite Mantelschicht in die aktiven Schicht eingestrahlt wird und das in der aktiven Schicht erzeugte Licht im zweiten Wellenlängenbereich durch die erste Mantelschicht abgestrahlt wird. Durch die Verwendung des II-VI-
Verbindungshalbleitermaterials für die zweite Mantelschicht kann diese insbesondere ein Material aufweisen, das eine größere Bandlücke als ein III-V-Verbindungshalbleitermaterial hätte, wodurch die Absorption von anregendem Licht in der zweiten Mantelschicht verringert werden kann. Weiterhin hängt die Materialwahl der zweiten Mantelschicht von der Bedingung ab, dass die zweite Mantelschicht auf der aktiven Schicht möglichst gitterangepasst aufgewachsen wird. Beispielsweise kann für den Fall von grünem Anregungslicht mit einer
Wellenlänge von 525 nm die zweite Mantelschicht ZnSe mit einer Bandlücke von 2,71 eV aufweisen oder daraus sein. Ein perfekt gitterangepasstes Material kann auch ZnSeo, osSeo, 92 mit einer Bandlücke von größer oder gleich 2,71 eV sein. Für den Fall von blauem Anregungslicht mit einer Wellenlänge von 450 nm kann das Material der zweiten Mantelschicht bevorzugt ZnMgSSe mit einer Bandlücke von größer oder gleich 2,9 eV sein. Alternativ hierzu kann auch zugverspanntes ZnSxSei-x als Material für die zweite Mantelschicht geeignet sein.
Alternativ hierzu können auch andere Materialien verwendet werden, die transparent für das anregende Licht im ersten Wellenlängenbereich sind und zur aktiven Schicht eine
Grenzfläche bilden, die eine geringere nicht-strahlende
Rekombinationsrate für Ladungsträgerpaare als die
entsprechende strahlende Rekombinationsrate der aktiven
Schicht aufweist.
Insbesondere kann die zweite Mantelschicht als abschießende Schicht der Halbleiterschichtenfolge aufgewachsen werden und dementsprechend eine Fensterschicht der
Halbleiterschichtenfolge bilden. Die zweite Mantelschicht kann insbesondere die einzige Schicht der
Halbleiterschichtenfolge sein, also die einzige Schicht von allen Schichten, die auf dem Aufwachssubstrat aufgewachsen werden, die auf einem I I -VI -
Verbindungshalbleitermaterialsystem basiert, so dass das II- VI-Verbindungshalbleitermaterial nach dem III-V-
Verbindungshalbleitermaterial aufgewachsen wird. Dadurch kann es möglich sein, dass Kontaminationen zwischen dem I I -VI - Verbindungshalbleitermaterial der zweiten Mantelschicht und dem III-V-Verbindungshalbleitermaterial der übrigen Schichten der Halbleiterschichtenfolge vermieden werden.
Bevorzugt grenzen die erste Mantelschicht oder die zweite Mantelschicht unmittelbar an die aktive Schicht an. Bevorzugt grenzen die erste und die zweite Mantelschicht jeweils unmittelbar an die aktive Schicht an. Weiterhin kann es auch möglich sein, dass die Halbleiterschichtenfolge zwischen der aktiven Schicht und der zweiten Mantelschicht eine dritte Mantelschicht aufweist, die wie die aktive Schicht auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem basiert. Hierbei können die erste und die dritte Mantelschicht ein gleiches Material aufweisen oder daraus sein. Die dritte Mantelschicht kann bevorzugt dünn ausgebildet sein und eine Dicke von größer oder gleich 5 nm und kleiner oder gleich 100 nm aufweisen .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Licht
emittierende Halbleiterbauelement einen Licht emittierenden Halbleiterchip mit einer Lichtauskoppelfläche auf. Der Licht emittierende Halbleiterchip kann ein beliebiger
Leuchtdiodenchip sein, der im Betrieb über die
Lichtauskoppelfläche ein Licht im ersten Wellenlängenbereich, das ein Anregungslicht für das Epitaxie- Wellenlängenkonversionselement, abstrahlt. Das Epitaxie- Wellenlängenkonversionselement ist insbesondere mit der zweiten Mantelschicht auf der Lichtauskoppelfläche
angeordnet . Zur Herstellung des Licht emittierenden Halbleiterbauelements können der Licht emittierende Halbleiterchip bereitgestellt und das Epitaxie-Wellenlängenkonversionselement gemäß dem vorab beschriebenen Verfahren hergestellt werden, wobei das Wellenlängenkonversionselement nach dem Aufwachsen der zweiten Mantelschicht mit der zweiten Mantelschicht auf der Lichtauskoppelfläche des Licht emittierenden Halbleiterchips montiert wird, so dass die erste Mantelschicht auf der dem Licht emittierenden Halbleiterchip gegenüber liegenden Seite der aktiven Schicht des Wellenlängenkonversionselements angeordnet ist. Anschließend kann das Aufwachssubstrat entfernt werden. Das Verbinden des
Wellenlängenkonversionselements mit dem Licht emittierenden Halbleiterchip kann insbesondere im Waferverbund durchgeführt werden. Nach dem Ablösen des Aufwachssubstrats kann der Waferverbund in eine Vielzahl von Licht emittierenden
Halbleiterbauelementen mit jeweils einem Licht emittierenden Halbleiterchip und einem Epitaxie- Wellenlängenkonversionselement vereinzelt werden.
Zwischen der Lichtauskoppelfläche und der zweiten
Mantelschicht kann zur Verbindung des Licht emittierenden Halbleiterchips mit dem Wellenlängenkonversionselement eine Verbindungsschicht angeordnet werden. Insbesondere kann die Verbindungsschicht ein dielektrisches Material aufweisen, beispielsweise ein organisches Verbindungsmaterial wie etwa BCB (Benzocyclobuten) oder ein anorganisches
Verbindungsmaterial wie etwa ein Oxid oder Oxinitrid.
Besonders bevorzugt kann das Verbindungsmaterial im letzteren Fall SiON sein. Alternativ zur Verwendung einer
Verbindungsschicht kann die zweite Mantelschicht auch
unmittelbar, also ohne Verbindungsschicht, auf der
Lichtauskoppelfläche angeordnet und montiert werden. Dies kann durch einen Direct-Wafer-Bonding-Prozess erfolgen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die erste
Mantelschicht eine Aufrauung auf der der aktiven Schicht abgewandten Seite auf. Im vorab beschrieben Licht
emittierenden Halbleiterbauelement kann das Epitaxie- Wellenlängenkonversionselement somit auf der dem Licht emittierenden Halbleiterchip abgewandten Seite eine Aufrauung aufweisen. Die Aufrauung, die zur Verbesserung der
Lichtauskopplung aus dem Wellenlängenkonversionselement vorgesehen sein kann, kann beispielsweise eine Strukturgröße von größer oder gleich 200 nm und kleiner oder gleich 1 ym und besonders bevorzugt von größer oder gleich 500 nm und kleiner oder gleich 700 nm aufweisen. Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und
Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in
Verbindung mit den Figuren beschriebenen
Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Figuren 1A bis IC schematische Darstellungen von
Verfahrensschritten eines Verfahrens zur Herstellung eines Epitaxie-Wellenlängenkonversionselements gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Figuren 2A und 2B schematische Darstellungen von Epitaxie- Wellenlängenkonversionselementen gemäß weiteren
Ausführungsbeispielen,
Figuren 3A bis 3C schematische Darstellungen von
Verfahrensschritten eines Verfahrens zur Herstellung eines Licht emittierenden Bauelements sowie ein
skizziertes Banddiagramm gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel und
Figur 4 eine schematische Darstellung eines
Verfahrensschritts eines Verfahrens zur Herstellung eines Licht emittierenden Halbleiterbauelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein. In den Figuren 1A bis IC ist ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Epitaxie- Wellenlängenkonversionselements 100 gezeigt. Hierzu wird, wie in Figur 1A gezeigt ist, ein Aufwachssubstrat 2
bereitgestellt, auf dem Halbleiterschichten basierend auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem zur Bildung einer Halbleiterschichtenfolge 1, wie sie in Figur 1B gezeigt ist, epitaktisch aufgewachsen werden. Das nachfolgend
beschrieben Verfahren kann insbesondere auf Wafer-Basis durchgeführt werden. Als Aufwachssubstrat 2 kann somit ein Substratwafer bereitgestellt werden, auf dem die
Halbleiterschichtenfolge 1 großflächig aufgewachsen wird. Durch ein abschließendes Vereinzeln kann eine Vielzahl von Wellenlängenkonversionselementen 100 erzeugt werden. Das Aufwachssubstrat 2 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein GaAs-Substrat , das sich gleichermaßen eignet,
Halbleiterschichten basierend auf einem Phosphid- und
basierend auf einem Arsenid-
Verbindungshalbleitermaterialsystem aufzuwachsen. Hier und im Folgenden werden Ausführungsbeispiele beschrieben, bei denen Phosphid-Verbindungshalbleitermaterialien verwendet werden. Alternativ hierzu kann es auch möglich sein, dass anstelle der beschriebenen Phosphid-Verbindungshalbleitermaterialien entsprechende Arsenid-Verbindungsleitermaterialien verwendet werden.
Auf dem Aufwachssubstrat 2 werden eine erste Mantelschicht 11 und darauf eine aktive Schicht 10 jeweils basierend auf einem Phosphid-Verbindungshalbleitermaterialsystem aufgewachsen . Die aktive Schicht 10 kann wie angedeutet beispielsweise als Mehrfach-Quantentopfstruktur ausgebildet sein. Alternativ hierzu sind beispielsweise auch eine Einfach- Quantentopfstruktur, ein pn-Übergang oder eine
Doppelheterostruktur möglich. Während die aktive Schicht 10 im gezeigten Ausführungsbeispiel InAlGaP mit einer Bandlücke von etwa 1,9 eV oder mehr aufweist, weist die erste
Mantelschicht 11 InAlP mit einer größeren Bandlücke,
insbesondere mit einer Bandlücke von etwa 2,36 eV, auf.
Wie in Figur 1B gezeigt ist, wird auf der aktiven Schicht 10 eine zweite Mantelschicht 12 aufgewachsen, die auf einem II- VI-Verbindungshalbleitermaterialsystem basiert. Das Material der zweiten Mantelschicht 12 ist derart gewählt, dass die zweite Mantelschicht 12, die unmittelbar auf der aktiven Schicht 10 aufgewachsen wird, eine größere Bandlücke als die aktive Schicht 10 aufweist und darüber hinaus auch noch gitterangepasst auf diese aufgewachsen werden kann. Weiterhin wird das Material der zweiten Mantelschicht 12 im Hinblick auf seine Transmissionseigenschaften an eine gewünschte
Anregungslichtwellenlänge angepasst .
Beispielsweise kann für den Fall von grünem Anregungslicht mit einer Wellenlänge von beispielsweise 525 nm die zweite Mantelschicht 12 bevorzugt ZnSe mit einer Bandlücke von
2,71 eV oder besonders bevorzugt ZnSeo, osSeo, 92 mit einer
Bandlücke von größer oder gleich 2,71 eV aufweisen oder daraus sein. Für den Fall von blauem Anregungslicht mit einer Wellenlänge von beispielsweise 450 nm kann das Material der zweiten Mantelschicht bevorzugt ZnMgSSe mit einer Bandlücke von größer oder gleich 2,9 eV sein. Alternativ hierzu kann auch zugverspanntes ZnSxSei-x als Material für die zweite Mantelschicht geeignet sein.
Im Vergleich zu Phosphid-Verbindungshalbleitermaterialien sind somit durch die Verwendung eines II-VI-
Verbindungshalbleitermaterials für die zweite Mantelschicht größere Bandlücken und damit eine höhere Lichtdurchlässigkeit und ein verbesserter Einschluss von Ladungsträgern möglich. Durch ein gitterangepasstes Aufwachsen kann es möglich sein, eine defektfreie Grenzfläche zwischen den III-V- und II-VI- Verbindungshalbleitermaterialien herzustellen, wodurch die Gefahr von Ladungsträgerrekombinationen an dieser Grenzfläche eliminiert werden kann. Die zweite Mantelschicht 12 wird als letzte Schicht der Halbleiterschichtenfolge 1 aufgewachsen, sodass Kontaminationen zwischen den unterschiedlichen
Verbindungshalbleitermaterialsystemen vermieden werden können. Die Mantelschicht 12 bildet somit eine die
Halbleiterschichtenfolge 1 abschließende Fensterschicht. Insbesondere bei der vorab beschriebenen Verwendung eines
GaAs-Aufwachssubstrats 2 kann es vorteilhaft sein, wenn das Aufwachssubstrat nach der Herstellung der
Halbleiterschichtenfolge 1 gedünnt oder bevorzugt ganz abgelöst wird, wie in Figur IC angedeutet ist, da GaAs insbesondere für Licht, das durch eine auf einem Phosphid-
Verbindungshalbleitermaterialsystem basierende aktive Schicht erzeugt werden kann, opak sein kann.
In den Figuren 2A und 2B sind weitere Ausführungsbeispiele für Epitaxie-Wellenlängenkonversionselemente 100 gezeigt, die entsprechend dem vorab beschriebenen Verfahren hergestellt werden können. Im Unterschied zum
Wellenlängenkonversionselement 100 des vorherigen Ausführungsbeispiels weist das Wellenlängenkonversionselement des Ausführungsbeispiels der Figur 2A zwischen der aktiven Schicht 10 und der zweiten Mantelschicht 12 eine dritte
Mantelschicht 13 auf. Diese basiert wie die erste
Mantelschicht 11 auf einem Phosphid-
Verbindungshalbleitermaterialsystem und kann insbesondere dasselbe Material wie die erste Mantelschicht 11 aufweisen. Aufgrund der geringeren Bandlücke und der damit verbundenen geringeren Transparenz dieses Materials im Vergleich zum Material der zweiten Mantelschicht 12 kann es vorteilhaft sein, wenn die dritte Mantelschicht 13 dünn ausgebildet ist, insbesondere mit einer Dicke von größer oder gleich 5 nm und kleiner oder gleich 100 nm. Das Epitaxie-Wellenlängenkonversionselement 100 des
Ausführungsbeispiels der Figur 2B weist auf der der aktiven Schicht 10 abgewandten Seite der ersten Mantelschicht 11 eine Aufrauung 14 auf. Diese kann insbesondere vorteilhaft im Hinblick auf eine Lichtauskopplung sein und beispielsweise Strukturgrößen im Bereich von 200 nm bis 1 ym aufweisen. Die Aufrauung 14 kann beispielsweise im Rahmen des
Ablöseprozesses zum Entfernen des Aufwachssubstrats oder anschließend daran hergestellt werden. In Verbindung mit den Figuren 3A bis 3C ist ein Verfahren zur Herstellung eines Licht emittierenden Halbleiterbauelements 200 mit einem Epitaxie-Wellenlängenkonversionselement 100 beschrieben. Das Wellenlängenkonversionselement 100 ist rein beispielhaft gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1A bis IC ausgebildet. Alternativ hierzu kann das
Wellenlängenkonversionselement 100 aber auch Merkmale der weiteren vorher beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweisen. Zur Herstellung des Licht emittierenden Halbleiterbauelements 200 wird, wie in Figur 3A gezeigt ist, über eine
Verbindungsschicht 3 ein vorher bereitgestellter Licht emittierender Halbleiterchip 4 mit der zweiten Mantelschicht 12 der auf dem Aufwachssubstrat 2 aufgewachsenen
Halbleiterschichtenfolge 1 befestigt. Insbesondere kann der in Figur 3A gezeigte Verfahrensschritt zwischen den in den Figuren 1B und IC gezeigten Verfahrensschritten durchgeführt werden, also noch vor einem Ablösen des Aufwachssubstrats 2. Der Licht emittierende Halbleiterchip 4, der eine
Lichtauskoppelfläche 41 aufweist, kann ein beliebiger
Leuchtdiodenchip sein, der Licht mit einer geeigneten
Anregungswellenlänge abstrahlen kann. Insbesondere kann der gezeigte Verfahrensschritt im Waferverbund durchgeführt werden. Das bedeutet, dass ein Halbleiterwafer mit einer Vielzahl von Bereichen bereitgestellt wird, die Licht
emittierenden Halbleiterchips entsprechen, während auch die Halbleiterschichtenfolge 1 auf dem als Substratwafer
ausgebildeten Aufwachssubstrat 2 großflächig aufgewachsen wird. Mittels der Verbindungsschicht 3 wird die zweite
Mantelschicht 12 auf der Lichtauskoppelfläche 41 montiert, sodass das Aufwachssubstrat 2 auf der dem lichtemittierenden Halbleiterchip 4 abgewandten Seite der
Halbleiterschichtenfolge 1 angeordnet ist.
Als Verbindungsmaterialien für die Verbindungsschicht 3 eignen sich insbesondere dielektrische organische oder anorganische Materialien. Ein geeignetes organisches
Verbindungsmaterial kann beispielsweise BCB sein, während ein geeignetes anorganisches Verbindungsmaterial beispielsweise SiON sein kann. Derartige Materialien weisen insbesondere auch eine hohe Transparenz für die zu verwendenden
Anregungswellenlängen auf. Wie in Figur 3B gezeigt ist, wird anschließend der in Figur IC beschriebene Verfahrensschritt, nämlich das Ablösen des Aufwachssubstrats 2, durchgeführt, sodass die erste
Mantelschicht 11 eine Auskoppelschicht des
Wellenlängenkonversionselements 100 und damit auch des Licht emittierenden Halbleiterbauelements 200 bildet. Durch eine Vereinzelung des vorher erwähnten Waferverbunds kann eine Vielzahl solcher Licht emittierenden Halbleiterbauelemente 200 hergestellt werden. Die Lichtauskopplung im Betrieb des Licht emittierenden Halbleiterbauelements 200 kann direkt oder auch mittels einer Linse (nicht gezeigt) zur umgebenden Luft erfolgen. In Figur 3C ist ein schematisches Banddiagramm für die prinzipiellen Lagen der Bandlücken der einzelnen Schichten des in Figur 3B gezeigten Licht emittierenden
Halbleiterbauelements 200 gezeigt, wobei in den Figuren 3B und 3C jeweils die Aufwachsrichtung 91 der
Halbleiterschichtenfolge 1 sowie die Lichtabstrahlrichtung 92 im Betrieb des Licht emittierenden Halbleiterbauelements 200 angedeutet sind. Weiter sind in beiden Figuren die
Grenzflächen B, T des Wellenlängenkonversionselements 100 gezeigt, über die die Lichteinkopplung (B) beziehungsweise die Lichtauskopplung (T) erfolgen und an denen
Oberflächenladungsträgerrekombinationen stattfinden können. Darüber hinaus sind zur verbesserten Zuordnung in Figur 3B die einzelnen Schichten des Licht emittierenden
Halbleiterbauelements 200 und in Figur 3C die Bandbereiche mit denselben römischen Zahlen gekennzeichnet. Hierbei ist im Bereich III die Bandlücke der zweiten Mantelschicht 12 mit der durchgezogenen Linie gekennzeichnet, während die
gepunktete Linie eine Bandlücke andeutet, die eine Mantelschicht hätte, die auf einem der ersten Mantelschicht
11 entsprechenden Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial basieren würde. Durch die größere Bandlücke des II-VI- Verbindungshalbleitermaterials der zweiten Mantelschicht kann sowohl eine höhere Transparenz für das vom Licht
emittierenden Halbleiterchip 4 abgestrahlte Anregungslicht als auch ein verbesserter Einschluss von Ladungsträgerpaaren erreicht werden, sodass die Anzahl der Elektron-Loch-Paare, die in der aktiven Schicht 10 im Betrieb erzeugt werden, vergrößert werden kann. Somit kann die Effizienz des
Wellenlängenkonversionselements 100 im Vergleich zu üblichen, ausschließlich auf III-V-Verbindungshalbleitermaterialien basierenden Epi-Konvertern verbessert werden. In Figur 4 ist ein dem Verfahrensschritt der Figur 3A
entsprechender Verfahrensschritt gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die zweite Mantelschicht
12 ohne eine Verbindungsschicht unmittelbar auf der
Lichtauskoppelfläche 41 des Licht emittierenden
Halbleiterchips 4 montiert wird. Dies kann insbesondere durch einen direkten Waferbonding-Prozess erfolgen.
Die in den in Verbindung mit den Figuren beschriebenen
Merkmale und Ausführungsbeispiele können gemäß weiteren
Ausführungsbeispielen miteinander kombiniert werden, auch wenn nicht alle Kombinationen explizit beschrieben sind.
Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren
beschriebenen Ausführungsbeispiele alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.
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 i den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugs zeichenliste
1 Halbleiterschichtenfolge
2 AufwachsSubstrat
3 VerbindungsSchicht
4 Licht emittierender Halbleiterchip
10 aktive Schicht
11 erste Mantelschicht
12 zweite Mantelschicht
13 dritte Mantelschicht
14 Aufrauung
41 Lichtauskoppelfläche
91 Aufwachsriehtung
92 Lichtabstrahlrichtung
100 Epitaxie-Wellenlängenkonversionselement
200 Licht emittierendes Halbleiterbauelement

Claims

Patentansprüche
1. Epitaxie-Wellenlängenkonversionselement (100),
aufweisend eine Halbleiterschichtenfolge (1) mit einer zwischen einer ersten Mantelschicht (11) und einer zweiten Mantelschicht (12) angeordneten aktiven Schicht (10), die dazu eingerichtet ist, Licht in einem ersten Wellenlängenbereich zu absorbieren und Licht in einem zweiten Wellenlängenbereich, der vom ersten
Wellenlängenbereich verschieden ist, zu reemittieren, wobei die erste Mantelschicht und die aktive Schicht auf
einem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem basieren und
wobei die zweite Mantelschicht auf einem II-VI-
Verbindungshalbleitermaterialsystem basiert .
2. Epitaxie-Wellenlängenkonversionselement nach dem
vorherigen Anspruch, wobei die zweite Mantelschicht eine die Halbleiterschichtenfolge abschließende
Fensterschicht ist.
3. Epitaxie-Wellenlängenkonversionselement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Mantelschicht auf einer der aktiven Schicht abgewandten Seite eine
Aufrauung (14) aufweist.
4. Epitaxie-Wellenlängenkonversionselement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die zweite Mantelschicht unmittelbar an die aktive Schicht angrenzt.
5. Epitaxie-Wellenlängenkonversionselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zwischen der zweiten
Mantelschicht und der aktiven Schicht eine dritte Mantelschicht (13) angeordnet ist, die auf einem III-V- Verbindungshalbleitermaterialsystem basiert .
6. Epitaxie-Wellenlängenkonversionselement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das III-V-
Verbindungshalbleitermaterialsystem ein Phosphid- und/oder Arsenid-Verbindungshalbleitermaterialsystem ist .
Epitaxie-Wellenlängenkonversionselement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die aktive Schicht auf
InAlGaP basiert und die erste Mantelschicht auf InAlP basiert .
Epitaxie-Wellenlängenkonversionselement nach einem
Ansprüche 1 bis 7, wobei die aktive Schicht und die erste Mantelschicht auf AlGaAs basieren.
Epitaxie-Wellenlängenkonversionselement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die zweite Mantelschicht ein oder mehrere Gruppe-II Elemente ausgewählt aus Mg und Zn und ein oder mehrere Gruppe-VI-Elemente ausgewählt aus S und Se aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Epitaxie- Wellenlängenkonversionselements (100) nach einem der vorherigen Ansprüche mit den Schritten:
Aufwachsen einer ersten Mantelschicht (11) und darüber einer aktiven Schicht (10) auf einem Aufwachssubstrat (2), wobei die erste Mantelschicht und die aktive
Schicht auf einem III-V-
VerbindungshalbleitermaterialSystem basieren, B) Aufwachsen einer zweiten Mantelschicht (12) auf der aktiven Schicht, wobei die zweite Mantelschicht auf einem II-VI-Verbindungshalbleitermaterialsystem basiert,
C) Ablösen des Aufwachssubstrats .
11. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, bei dem die
zweite Mantelschicht als abschließende Schicht
aufgewachsen wird.
12. Licht emittierendes Halbleiterbauelement (200),
aufweisend
- einen Licht emittierenden Halbleiterchip (4) mit einer
Lichtauskoppelfläche (41) und
- einem Epitaxie-Wellenlängenkonversionselement (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Epitaxie- Wellenlängenkonversionselement mit der zweiten
Mantelschicht auf der Lichtauskoppelfläche angeordnet ist .
13. Halbleiterbauelement nach dem vorherigen Anspruch, wobei zwischen der Lichtauskoppelfläche und der zweiten
Mantelschicht eine Verbindungsschicht (3) angeordnet ist, die ein dielektrisches Material aufweist.
14. Halbleiterbauelement nach Anspruch 12, wobei die zweite Mantelschicht unmittelbar auf der Lichtauskoppelfläche angeordnet ist.
15. Verfahren zur Herstellung eines Licht emittierenden
Halbleiterbauelements (200) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem
- ein Licht emittierender Halbleiterchip (4) mit einer
Lichtauskoppelfläche (41) bereitgestellt wird, ein Epitaxie-Wellenlängenkonversionselement (100) mit Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11 hergestellt wird und
zwischen den Verfahrensschritten B und C die
Halbleiterschichtenfolge (1) des Epitaxie- Wellenlängenkonversionselements mit der zweiten Mantelschicht (12) auf der Lichtauskoppelfläche des Licht emittierenden Halbleiterchips montiert wird.
PCT/EP2018/078535 2017-10-20 2018-10-18 Epitaxie-wellenlängenkonversionselement, licht emittierendes halbleiterbauelement sowie verfahren zur herstellung des epitaxie-wellenlängenkonversionselements und des licht emittierenden halbleiterbauelements WO2019077034A1 (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020244949A1 (de) * 2019-06-06 2020-12-10 Osram Opto Semiconductors Gmbh Halbleiterbauelement mit strahlungskonversionselement und verfahren zum herstellen von strahlungskonversionselementen

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10354936A1 (de) * 2003-09-30 2005-04-28 Osram Opto Semiconductors Gmbh Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement
US20120097921A1 (en) * 2009-05-05 2012-04-26 3M Innovative Properties Company Cadmium-free Re-Emitting Semiconductor Construction
US20130221393A1 (en) * 2010-11-18 2013-08-29 3M Innovative Properties Company Light emitting diode component comprising polysilazane bonding layer

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5256580A (en) * 1992-04-06 1993-10-26 Motorola, Inc. Method of forming a light emitting diode
EP2232596A4 (de) * 2007-12-28 2011-03-02 3M Innovative Properties Co Abwärtsumgesetzte lichtquelle mit gleichförmiger wellenlängenemission
JP2012502472A (ja) * 2008-09-04 2012-01-26 スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー 単色光源
KR20190000396A (ko) * 2010-09-29 2019-01-02 루미리즈 홀딩 비.브이. 파장 변환된 발광 장치

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10354936A1 (de) * 2003-09-30 2005-04-28 Osram Opto Semiconductors Gmbh Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement
US20120097921A1 (en) * 2009-05-05 2012-04-26 3M Innovative Properties Company Cadmium-free Re-Emitting Semiconductor Construction
US20130221393A1 (en) * 2010-11-18 2013-08-29 3M Innovative Properties Company Light emitting diode component comprising polysilazane bonding layer

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020244949A1 (de) * 2019-06-06 2020-12-10 Osram Opto Semiconductors Gmbh Halbleiterbauelement mit strahlungskonversionselement und verfahren zum herstellen von strahlungskonversionselementen

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