WO2002073705A2 - Strahlungsemittierendes halbleiterbauelement und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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Johannes Baur
Dominik Eisert
Michael Fehrer
Berthold Hahn
Volker HÄRLE
Marianne Ortmann
Uwe Strauss
Johannes VÖLKL
Ulrich Zehnder
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a radiation-emitting semiconductor component according to the preamble of patent claim 1 and a manufacturing method therefor according to the preamble of patent claim 16.
  • Radiation-emitting semiconductor components of the type mentioned generally have a semiconductor multilayer system with an active layer which serves to generate radiation and is applied to a carrier.
  • the radiation is coupled out through the carrier, the carrier being transparent to the radiation generated.
  • the radiation yield is severely restricted by total reflection on the carrier surface. This problem occurs particularly strongly in the case of supports with a high refractive index, such as, for example, SiC substrates, and is further exacerbated when the refractive index of the support is greater than the refractive index of the multilayer system.
  • Multilayer system 20 is shown on a cuboidal, rectangular section SiC substrate 19.
  • the SiC substrate 19 with a refractive index of approximately 2.7 represents the optically denser medium than the multilayer system 20 with a refractive index of approximately 2.5.
  • the semiconductor structure shown is surrounded by a medium with a low refractive index, for example air.
  • the multilayer structure 20 has an active radiation-generating layer 21.
  • a small radiation-emitting volume 23 is selected from the active layer 21, which is described approximately as an isotropic spotlight can be. The following consideration applies to almost all such partial volumes 21 of the active layer.
  • the radiation 22 emitted by the volume 23 in the direction of the SiC substrate 19 initially strikes the multilayer system-substrate interface and is refracted toward the interface normal as it enters the substrate.
  • a direct decoupling of the radiation on the main substrate surface 25 opposite the interface is only possible for radiation components whose angle of incidence is smaller than the total reflection angle (in each case based on the normal of the decoupling surface 25).
  • the total reflection angle is comparatively small and is, for example, about 22 ° for SiC.
  • the radiation component 22b totally reflected on the coupling-out surface 25 subsequently strikes the substrate side surface 26 at an even flatter angle and is in turn totally reflected.
  • the remaining radiation components 22a which first strike the side surfaces 26 of the substrate 19, are first totally reflected on the side surfaces 26 and then on the coupling-out surface 25.
  • the angle of incidence merges into itself or the complementary angle after reflection, so that it is not possible to decouple the radiation components 22a, b on these surfaces even after multiple reflections.
  • only a very small portion 22c of the total radiation 22 emitted in the direction of the substrate 19 is coupled out.
  • the rest of the radiation 22a, b circulates in the substrate 19 with multiple total reflection, optionally re-enters the multilayer structure 20 and is finally absorbed in the course of this cyclic propagation.
  • a light-emitting semiconductor element is known from DE 198 07 758 A1, the semiconductor side faces of which are chamfered in whole or in part in order to increase the radiation yield, so that the substrate is given the shape of a truncated pyramid. Because of this beveling, the angle of incidence for parts of the radiation generated is reduced to the total reflection angle when it strikes the side surfaces, so that these radiation components can be coupled out.
  • the object of the present invention is to provide a radiation-emitting semiconductor component of the type mentioned at the outset with improved radiation yield and to specify a production method therefor.
  • a radiation-emitting semiconductor component having a multilayer structure, an active layer serving to generate radiation within the multilayer structure, contacts electrically connected to the active layer and a window which is transparent to the radiation generated and having a first main surface and a second main surface opposite the first main surface are provided form, wherein the window with the first main surface adjoins the multilayer structure and at least one trench-like or pit-like recess is formed in the window from the second main surface to increase the radiation yield.
  • the recess is designed in such a way that parts of the radiation generated are coupled out at their boundary surfaces or reflected in a manner which favors the coupling out of the window.
  • a decoupling of radiation components is achieved in that the boundary surfaces of the recess are arranged at least in part so that the angle of incidence of these radiation components on the boundary surfaces is as small as possible and in particular smaller than the total reflection angle.
  • a reflection favoring the decoupling occurs, for example, when radiation components are first totally reflected by the boundary surfaces of the recess, the cyclic propagation being broken through within the window, so that the radiation components in question can be coupled out at least after a few further reflections on a boundary surface of the window.
  • the interruption of a cyclic propagation causes an increase in the radiation yield, in particular in the case of a window whose side surfaces are arranged perpendicular to the main surfaces.
  • a window whose side surfaces are arranged perpendicular to the main surfaces.
  • the increase in the radiation yield by means of a recess in the window does not require any changes in the enveloping basic shape of the window, so that production and assembly systems, the function of which is fixed to certain predetermined basic shapes of the window, can also be used for the production of components according to the invention ,
  • a high radiation yield can be achieved with known and established basic window shapes, such as an enveloping cube or cuboid shape.
  • several recesses are preferably formed in the window in the invention. With regard to the number of manufacturing steps to be kept low, a plurality of uniform recesses is particularly preferred.
  • the recess in the window has at least one flat side surface which includes an angle other than 90 ° with the second main surface of the window. This angle is particularly preferably between 20 ° and 70 °.
  • a recess can be realized, for example, in the form of a trench with side walls sloping towards the main surfaces, which can be produced, for example, by correspondingly sawing in the window.
  • Such a trench preferably has a trapezoidal cross section which tapers in the direction of the multilayer structure.
  • a plurality of trenches which intersect or run in parallel can also be formed.
  • a parallel arrangement results in an asymmetrical directional characteristic of the radiation generated, while intersecting trenches lead to a uniform distribution of the outcoupled radiation.
  • one of the two embodiments may be more advantageous.
  • the recess is completely or partially delimited by curved surfaces.
  • the reflection on curved boundary surfaces of a recess advantageously largely precludes cyclical propagation.
  • the recesses can be formed in particular in the form of a hemisphere, a spherical segment, an ellipsoid segment, a cone or a truncated cone. Similar shapes, which result from the basic shapes mentioned as a result of distortions such as extension, compression or shear, are also suitable.
  • Such forms are, for example, by laser ablation or
  • trench-shaped recesses can also be delimited by curved surfaces and can be formed, for example, with a semicircular cross section.
  • the multilayer structure is produced epitaxially. From the epitaph xiesubstrat the window can be made later.
  • the invention has particular advantages in the case of highly refractive substrates such as, for example, SiC with correspondingly large total reflection areas, in particular when the refractive index of the substrate is greater than the refractive index of the multilayer structure.
  • the refractive index of the multilayer structure is to be understood as the refractive index of the region of the multilayer structure bordering on the substrate, since the extent of the total reflection is largely determined by the jump in the refractive index at the interface between the substrate and the multilayer structure.
  • the multilayer structure is composed of materials whose differences in the refractive index relative to one another can be neglected compared to the refractive index of the substrate. Therefore, the average refractive index of the materials contained therein can also be used as the refractive index of the multilayer structure.
  • GaN-based multilayer structures which contain GaN or a compound derived from or related to it. These include, in particular, GaN itself, mixed crystal systems based thereon such as AlGaN (Al ⁇ - x Ga x N, O ⁇ x ⁇ l), InGaN (In ⁇ - x Ga x N, O ⁇ x ⁇ l) and AlInGaN (Al ⁇ - x _ ⁇ In x Ga y N, O ⁇ x ⁇ l, O ⁇ y ⁇ l) as well as AlN, InN and InAlN (In 1 _ x Al ⁇ N, O ⁇ x ⁇ l).
  • AlGaN Al ⁇ - x Ga x N, O ⁇ x ⁇ l
  • InGaN In ⁇ - x Ga x N, O ⁇ x ⁇ l
  • AlInGaN AlInGaN
  • Such multilayer structures are usually grown epitaxially on a SiC or sapphire substrate which is at least partially transparent to the radiation generated, primarily in the blue and green spectral range.
  • the radiation yield can be increased with the invention by reducing the total reflection losses, the invention being particularly advantageous for SiC substrates due to the problems described at the outset, which arise from the high refractive index.
  • the invention is not limited to GaN-based systems, but can also be applied to other semiconductor systems such as, for example, GaAs, GaP or ZnSe-based materials.
  • a considerable part of the radiation generated remains in the multilayer structure window arrangement due to total reflection and is ultimately absorbed.
  • the invention is also advantageous for window materials other than those mentioned so far, for example quartz glass, diamond, ITO (indium tin oxide) or materials based on ZnO, SnO, InO or GaP, since, as a rule, all of these windows are coupled out there is a transition to an optically thinner medium, in which total reflection can occur and the degree of coupling-out is accordingly reduced.
  • window materials other than those mentioned so far, for example quartz glass, diamond, ITO (indium tin oxide) or materials based on ZnO, SnO, InO or GaP, since, as a rule, all of these windows are coupled out there is a transition to an optically thinner medium, in which total reflection can occur and the degree of coupling-out is accordingly reduced.
  • the invention is also advantageous for encapsulated or otherwise coated semiconductor bodies or windows, since the coating generally has the lower refractive index, so that the radiation yield due to total reflection is also reduced in this case.
  • a window made of the materials mentioned can be applied to the multilayer structure after the multilayer structure has been produced.
  • epitaxial production this is possible, for example, by detaching the epitaxial substrate after the epitaxy and replacing the window in its place by means of a wafer bonding process with the multilayer
  • a method according to the invention for producing a radiation-emitting semiconductor component of the type mentioned begins with the provision of a window layer, for example in the form of a suitable substrate or wafer, with a first main surface and a second main surface opposite the first main surface.
  • a semiconductor layer sequence which corresponds to the multilayer structure to be formed is applied to the first main surface.
  • the application is preferably carried out epitaxially or by means of a wafer bonding process.
  • the window layer is then sawn from the second main surface with a saw blade with a shaped edge, and a trench-shaped recess is thus formed in the substrate.
  • the depth of cut is less than the thickness of the window layer.
  • the components are completed. This includes, for example, contacting and separating the semiconductor layer sequence. During the separation, the combination of window layer and semiconductor layer sequence is divided into a plurality of windows, each with a multilayer structure arranged thereon.
  • the recesses can also be etched using a suitable mask technique or produced by laser ablation. This alternative enables the formation of spatially isolated recesses, that is to say recesses which do not extend over the entire surface of the window layer or larger partial areas thereof.
  • Isolated recesses can be formed, for example, as described above in the form of a cone, a truncated cone, a hemisphere, a spherical segment, an ellipsoid segment or a similar shape. Further features, advantages and expediencies of the invention are explained below using eight exemplary embodiments in conjunction with FIGS. 1 to 8.
  • FIGS. 1 a and 1 b show a schematic, perspective partial sectional illustration and a schematic detailed view of a first exemplary embodiment of a semiconductor component according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic, perspective illustration of a second exemplary embodiment of a semiconductor component according to the invention
  • FIGS. 3a and 3b show a schematic, perspective illustration and a sectional illustration of a third exemplary embodiment of a semiconductor component according to the invention
  • FIG. 4 shows a schematic, perspective illustration of a fourth exemplary embodiment of a semiconductor component according to the invention
  • FIG. 5 shows a schematic, perspective illustration of a fifth exemplary embodiment of a semiconductor component according to the invention
  • FIG. 6 shows a schematic sectional illustration of a sixth exemplary embodiment of a semiconductor component according to the invention
  • FIG. 7 shows a schematic sectional illustration of a seventh exemplary embodiment of a semiconductor component according to the invention
  • FIG. 8 shows a schematic sectional illustration of an eighth exemplary embodiment of a semiconductor component according to the invention
  • Figure 9 is a schematic sectional view of a semiconductor device according to the prior art.
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 1 a has a window 1 with a first main surface 5 and a second main surface 6, a multilayer structure 2 being applied to the first main surface 5.
  • the multilayer structure 2 consists of a plurality of semiconductor layers of the GaN / AlGaN system. This multilayer structure 2 contains an active layer 3, which generates radiation 18 during operation (shown by way of example using the beams 18a, b, c).
  • the window 1 is made of an SiC epitaxial substrate used for the epitaxial production of the multilayer structure 2 and has a trench-shaped recess 4 with a trapezoidal cross section, which was already formed in the epitaxial substrate, preferably after the epitaxy.
  • the window 1 has a cuboid, enveloping basic shape.
  • the refractive index of which is greater than the refractive index of the multilayer structure, the coupling-out of the radiation generated by the window flanks 8 is very limited due to total reflection.
  • the angle of incidence for part 18b, c of the radiation reflected from the flank 8 of the window is reduced to such an extent that it is smaller than the total reflection angle and thus the radiation can escape from the window.
  • Radiation components 18a which despite the inclination of the corresponding side wall 7a are so flat that they are totally reflected on the side wall 7a, are reflected back and forth between the window flank 8 and the side surface of the recess 7a, the angle of incidence becoming smaller after each reflection until finally decoupling is possible. This is explained in the detail sectional view in FIG. 1b for clarification.
  • the angle denotes the angle between the side surface of the recess 7a and the flank of the window 8.
  • a beam 18a which strikes the recess side surface 7a with an angle of incidence ⁇ i ( ⁇ > ⁇ c , ⁇ c : total reflection angle) becomes the flank with total reflection 8 thrown back.
  • the angle of incidence ⁇ 2 on the window flank 8 is reduced by the amount ⁇ compared to the angle of incidence ⁇ in the previous reflection:
  • ⁇ 2 is greater than the total reflection angle ⁇ c , the beam 18a is again reflected back onto the side surface 7a and strikes there with the angle of incidence
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 2 differs from the previous example in that two recesses 4a, b intersecting at right angles are formed in the window 1, each recess being in the form of a trench is designed with a trapezoidal cross-section. This advantageously further increases the total decoupling area and thus also the radiation yield.
  • the recesses described are preferably produced after the epitaxial production of the multilayer structure 2 by sawing in the epitaxial substrate on the side facing away from the multilayer structure with a saw blade with a shaped edge.
  • the cross section of the mold edge (cross-section to the sawing direction) has the complementary shape corresponding to the desired cross-section of the trench.
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 2 is correspondingly produced by two intersecting saw cuts.
  • the sawing depth is smaller than the window thickness in order not to damage the multilayer structure 2.
  • FIG. 3a differs from the previously described exemplary embodiments in that a spatially isolated, circumferentially limited recess 4 is formed in the shape of a hemisphere in the window. In contrast to trench-shaped recesses, such circumferentially limited recesses are preferably etched into the window 1 '.
  • FIG. 3b shows a central section through the exemplary embodiment, perpendicular to the multilayer sequence 2.
  • the production of recesses by etching is particularly suitable for the formation of a large number of recesses in a window 1, as are shown, for example, in FIG. If a suitable mask technique based on known technologies is used, all of the recesses can be produced inexpensively in a single production step.
  • the components formed in this way are characterized by a high radiation yield and a particularly uniform radiation distribution on the decoupling surface.
  • contact is made via metallized contact strips 9a, b, which run between the recesses and each end in a wire connection region 11a, b.
  • a contact surface 10 is applied to the side of the multilayer structure 2 facing away from the window 1.
  • This contact surface 10 can be formed, for example, as a reflective surface. As a result, radiation components striking the contact surface are reflected back in the direction of the coupling-out surface 6. For the most uniform possible introduction of current into the multilayer structure, a full-area contact area is advantageous.
  • FIG. 5 also shows an exemplary embodiment with a plurality of recesses 4 in a window 1 which, in contrast to the previous exemplary embodiment, are arranged as trenches which are parallel to one another.
  • the shape of the individual recesses corresponds to the exemplary embodiment according to FIG. 1.
  • Such a structure can easily be produced by multiple parallel sawing in with a form saw blade. This shape is particularly suitable for large-area semiconductor components.
  • the component is again contacted via two metallized strips 9a, b, which are applied close to the edge on the main surface 6 and the recesses 4 and each end in a wire connection region 11a, b.
  • the corresponding mating contact is designed as a rear-side contact layer 10 on the multilayer structure 2.
  • the window flanks are partially beveled.
  • the window flanks On the part of the first window main surface 5, the window flanks have a first partial region 8a orthogonal to the main surface 5.
  • This first partial area 8a goes in the direction of the second main area 6 into a second, obliquely to the main areas 5 and 6 arranged subarea 8b.
  • a recess 4 with oblique side surfaces 7 is formed in the window 1.
  • the window also has a cuboid basic shape which, as described, facilitates the assembly of the semiconductor component and is particularly advantageous for automatic assembly systems.
  • the rectangular basic shape can also be dispensed with entirely in order to achieve an even higher radiation yield.
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment of an optical component which contains a radiation-emitting semiconductor component according to the invention.
  • the semiconductor component corresponds to the exemplary embodiment according to FIG. 5 and is applied to a metallic heat sink 12, for example a copper block.
  • the heat sink is electrically conductively connected to the contact layer 10 formed on the rear side of the multilayer structure 2 and serves both
  • the semiconductor component can be glued or soldered onto the heat sink 12 by means of an electrically conductive adhesive.
  • the semiconductor component On the radiation side, the semiconductor component has a
  • This encapsulation consists of a reaction resin, preferably an epoxy, acrylic or silicone resin, which serves, among other things, to protect the semiconductor component from harmful environmental influences.
  • the encapsulation can also serve as a carrier or matrix for a radiation conversion element.
  • a suitable dye for example, by suspending a suitable dye in the potting compound, a component that emits mixed-colored light, consisting of the light of the semiconductor component and the light converted by the dye.
  • a semiconductor component emitting in the blue spectral range and a dye which, when excited in this spectral range, luminesces in the yellow-orange spectral range a semiconductor-based white light source is created.
  • FIG. 5 Another exemplary embodiment of an optical component is shown in FIG.
  • two semiconductor components corresponding to the exemplary embodiment according to FIG. 5 are applied to an angled heat sink 12. Potting was dispensed with, since the shape of the window layer already increases the coupling-out compared to components according to the prior art. This also eliminates the risks for the component associated with a potting, such as the risk of delamination of the potting from the semiconductor body or possible aging and yellowing of the potting.
  • the semiconductor component by means of an encapsulation if this is desired, for example to protect the semiconductor body, to form an optical element such as a lens, to further increase the radiation yield or as a matrix for phosphors.
  • the shape of the window layer shown, and in particular the formation of recesses in the form of a plurality of parallel trenches, results in a directed radiation of the radiation generated.
  • modules with a plurality of semiconductor components can be realized which have a more complex radiation characteristic risk.
  • Such more complex radiation characteristics generally require additional, complex ones Optics.
  • These can advantageously be dispensed with in the invention as well as a reflector, so that such modules can be arranged in a particularly space-saving manner.

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit verbesserter Strahlungsausbeute sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Das Halbleiterbauelement weist eine Mehrschichtstruktur (2) mit einer aktiven Schicht (3) zur Strahlungserzeugung innerhalb der Mehrschichtstruktur (2) sowie ein Fenster (1) mit einer ersten und einer zweiten Hauptfläche auf. Die Mehrschichtstruktur grenzt an die erste Hauptfläche (5) des Fensters (1). Von der zweiten Hauptfläche (6) her ist in dem Fenster (1) mindestens eine Ausnehmung zur Erhöhung der Strahlungsausbeute gebildet. Die Ausnehmung weist vorzugsweise einen trapezförmigen, sich zur ersten Hauptfläche (5) hin verjüngenden Querschnitt auf und kann beispielsweise durch Einsägen des Fensters hergestellt werden.

Description

Beschreibung
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Herstellungsverfahren hierfür nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 16.
Strahlungsemittierende Halbleiterbauelemente der genannten Art weisen in der Regel ein Halbleitermehrschichtsystem mit einer aktiven, der Strahlungserzeugung dienenden Schicht auf, das auf einen Träger aufgebracht ist. Die Strahlungsauskopp- lung erfolgt durch den Träger hindurch, wobei der .Träger für die erzeugte Strahlung transparent ist . Bei dieser Anordnung wird jedoch die Strahlungsausbeute durch Totalreflexion an der Trägeroberfläche stark eingeschränkt . Diese Problematik tritt besonders stark bei Trägern mit hohem Brechungsindex wie beispielsweise SiC-Substraten auf und wird weiter verschärft, wenn der Brechungsindex des Trägers größer ist als der Brechungsindex des Mehrschichtsystems.
Der Einfluß der Totalreflexion auf die Strahlungsauskopplung ist beispielhaft in Figur 9 anhand eines GaN-basierenden
MehrschichtSystems 20 auf einem quaderförmigen, im Schnitt rechteckigen SiC-Substrat 19 dargestellt. Das SiC-Substrat 19 mit einem Brechungsindex von etwa 2,7 stellt gegenüber dem Mehrschichtsystem 20 mit einem Brechungsindex von etwa 2,5 das optisch dichtere Medium dar. Die gezeigte Halbleiterstruktur ist von einem Medium mit geringem Brechungsindex, beispielsweise Luft, umgeben.
Die MehrschichtStruktur 20 weist eine aktive strahlungserzeu- gende Schicht 21 auf. Es sei aus der aktiven Schicht 21 ein kleines Strahlungsemittierendes Volumen 23 herausgegriffen, das näherungsweise als isotroper Punktstrahler beschrieben werden kann. Die folgende Betrachtung trifft auf nahezu alle solchen Teilvolumina 21 der aktiven Schicht zu.
Die von dem Volumen 23 in Richtung des SiC-Substrats 19 emit- tierte Strahlung 22 trifft zunächst auf die Mehrschichtsystem-Substrat-Grenzfläche auf und wird beim Eintritt in das Substrat zur Grenzflächennormale hin gebrochen.
Eine direkte Auskopplung der Strahlung an der der Grenzfläche gegenüberliegenden Substrathauptfläche 25 ist nur für Strahlungsanteile möglich, deren Einfallswinkel kleiner als der Totalreflexionswinkel (jeweils bezogen auf die Normale der Auskoppelflache 25) ist. Für ein hochbrechendes Substrat ist der Totalreflexionswinkel vergleichsweise klein und beträgt beispielsweise für SiC etwa 22°.
Daher wird lediglich ein geringer Teil 22c der erzeugten Strahlung aus dem Zentrum des Strahlenbündel 22a, b,c direkt ausgekoppelt. Der Rest der erzeugten Strahlung wird totalre- flektiert.
Der an der Auskoppelflache 25 totalreflektierte Strahlungsanteil 22b trifft nachfolgend unter einem noch flacheren Winkel auf die Substratseitenfläche 26 auf und wird wiederum total- reflektiert.
Ebenso werden die verbleibenden Strahlungsanteile 22a, die zuerst auf die Seitenflächen 26 des Substrats 19 auftreffen, zunächst an den Seitenflächen 26 und anschließend an der Aus- koppelfläche 25 totalreflektiert.
Bei der gezeigten rechtwinkligen Anordnung von Seiten- und Hauptflächen geht der Einfallswinkel nach einer Reflexion in sich selbst oder den Komplementärwinkel über, so daß auch nach mehrfachen Reflexionen eine Auskopplung der Strahlungs- anteile 22a, b an diesen Flächen nicht möglich ist. Somit wird von der gesamten in Richtung des Substrats 19 emittierten Strahlung 22 nur ein sehr geringer Anteil 22c ausgekoppelt. Der Rest der Strahlung 22a, b läuft unter vielfacher Totalreflexion im Substrat 19 um, tritt gegebenfalls wieder in die MehrschichtStruktur 20 ein und wird schließlich im Laufe dieser zyklischen Propagation absorbiert.
Aus DE 198 07 758 AI ist ein lichtemittierendes Halbleiterelement bekannt, dessen Halbleiterseitenflächen zur Erhδ- hung der Strahlungsausbeute ganz oder teilweise angeschrägt sind, so daß das Substrat die Form eines Pyramidenstumpfs erhält. Aufgrund dieses Anschrägens wird der Einfallswinkel für Teile der erzeugten Strahlung beim Auftreffen auf die Seitenflächen unter den Totalreflexionswinkel verringert, so daß diese Strahlungsanteile auskoppelbar sind.
Da die zusätzliche Strahlungsauskopplung nur an den Randbereichen des Bauelements erfolgt, wird insbesondere bei großflächigen Bauelementen mit vergleichsweise dünnen Substraten die Strahlungsausbeute nur geringfügig erhöht. Zudem sind viele Bestückungsanlagen für Halbleiterchips mit einem Substrat in Quader- oder Würfelform ausgelegt. Die Änderung der Substratgrundform kann bei solchen Anlagen zu Funktionsstörungen führen oder kostenaufwendige Umrüstungen erforderlich machen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art mit verbesserter Strahlungsausbeute zu schaffen sowie ein Herstellungsverfahren hierfür anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelemente nach Patentanspruch 1 beziehungsweise ein Herstellungsverfahren nach Patentanspruch 16 gelöst. Vorteil- hafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 15 und 17 bis 23. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, ein Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit einer MehrschichtStruktur, einer aktiven, der Strahlungserzeugung dienenden Schicht innerhalb der MehrschichtStruktur, mit der aktiven Schicht elektrisch verbundenen Kontakten und einem für die erzeugte Strahlung durchlässigen Fenster mit einer ersten Hauptfläche und einer der ersten Hauptfläche gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche zu bilden, wobei das Fenster mit der ersten Hauptfläche an die Mehrschichtstruktur grenzt und von der zweiten Hauptflä- ehe her mindestens eine grabenartige oder grubenartige Ausnehmung in dem Fenster zur Erhöhung der Strahlungsausbeute gebildet ist.
Die Ausnehmung ist dabei so ausgeführt, daß Teile der erzeug- ten Strahlung an ihren Begrenzungsflächen ausgekoppelt oder in einer die Auskopplung aus dem Fenster begünstigenden Art reflektiert werden.
Eine Auskopplung von Strahlungsanteilen wird dadurch er- reicht, daß die Begrenzungsflächen der Ausnehmung zumindest teilweise so angeordnet sind, daß der Einfallswinkel dieser Strahlungsanteile auf die Begrenzungsflächen möglichst gering und insbesondere kleiner als der Totalreflexionswinkel ist.
Eine die Auskopplung begünstigende Reflexion liegt beispielsweise vor, wenn Strahlungsanteile zunächst von den Begrenzungsflächen der Ausnehmung totalreflektiert werden, wobei die zyklische Propagation innerhalb des Fensters durchbrochen wird, so daß die betreffenden Strahlungsanteile zumindest nach einigen weiteren Reflexionen an einer Begrenzungsfläche des Fensters ausgekoppelt werden können.
Die Unterbrechung einer zyklischen Propagation bewirkt insbesondere bei einem Fenster, dessen Seitenflächen senkrecht zu den Hauptflächen angeordnet sind, eine Erhöhung der Strahlungsausbeute. Wie eingangs beschrieben bilden sich bei solchen Anordnungen mit würfel- oder quaderfδrmigem Fenster zy- klisch propagierende Strahlungsbündel sehr leicht aus, so daß der Anteil der nicht auskopplungsfähigen Strahlung dementsprechend hoch ist.
Mit Vorteil erfordert die Erhöhung der Strahlungsausbeute mittels einer Ausnehmung in dem Fenster keine Änderungen der einhüllenden Grundform des Fensters, so daß zur Herstellung erfindungsgemäßer Bauelemente auch Produktions- und Bestük- kungsanlagen verwendet werden können, deren Funktion auf be- stimmte vorgegebene Grundformen des Fensters festgelegt ist. Mit der Erfindung kann insbesondere eine hohe Strahlungsaus- beute bei bekannten und etablierten Fenstergrundformen wie beispielsweise einer einhüllenden Würfel- oder Quaderform erzielt werden.
Zur weiteren Erhöhung der Strahlungsausbeute sind bei der Erfindung bevorzugt mehrere Ausnehmungen in dem Fenster gebildet. Besonders bevorzugt ist im Hinblick auf die gering zu haltende Anzahl von Herstellungsschritten eine Mehrzahl gleichförmiger Ausnehmungen.
Im Gegensatz zu einer randseitigen Strukturierung des Fensters zur Erhöhung der Strahlungsausbeute, beispielsweise durch Anschrägen der Seitenflächen, kann bei der Erfindung eine verbesserte Auskopplung über eine größere Fläche und eine gleichmäßigere Verteilung der ausgekoppelten Strahlung auf dieser Fläche erreicht werden. Dies ist von besonderem Vorteil für großflächige Bauelemente, da bei nach oben skalierter Bauelementfläche das Verhältnis von Umfang zu Fläche sinkt. Daher sind bei großflächigen Bauelementen auf den Umfang der Bauelemente beschränkte Mittel zu Erhöhung der Strahlungsausbeute in der Regel weit weniger effizient als in der Fläche aufgebrachte Mittel zu Erhöhung der Strahlungsaus- beute .
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Ausnehmung in dem Fenster mindestens eine ebene Seitenfläche auf, die mit der zweiten Hauptfläche des Fensters einen von 90° verschiedenen Winkel einschließt. Besonders bevorzugt liegt dieser Winkel zwischen 20° und 70°. Eine derartige Ausnehmung kann beispielsweise in Form eines Grabens mit zu den Hauptflächen schrägstehenden Seitenwänden realisiert werden, der zum Beispiel durch entsprechendes Einsägen des Fensters hergestellbar ist. Bevorzugt weist ein solcher Graben einen trapezförmigen, sich in Richtung der Mehrschichtstruktur verjüngenden Querschnitt auf.
Zur weiteren Erhöhung der Strahlungsausbeute können auch mehrere sich kreuzende oder parallel verlaufende Gräben ausgebildet sein. Eine Parallelanordnung bewirkt eine asymmetrische Richtcharakteristik der erzeugten Strahlung, während sich kreuzende Gräben zu einer gleichmäßigen Verteilung der ausgekoppelten Strahlung führen. Je nach Anwendungsgebiet kann eine der beiden Ausführungsformen vorteilhafter sein.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Ausnehmung ganz oder teilweise von gekrümmten Flächen begrenzt. Die Reflexion an gekrümmten Begrenzungsflächen einer Ausnehmung schließt mit Vorteil eine zyklische Propaga- tionen weitgehend aus. Die Ausnehmungen können hierbei insbesondere in Form einer Halbkugel, eines KugelSegments, eines Ellipsoidsegments, eines Kegels oder eines Kegelstumpfs gebildet sein. Auch ähnliche Formen, die beispielsweise aus den genannten Grundformen durch Verzerrungen wie Streckung, Stauchung oder Scherung hervorgehen, sind geeignet.
Solche Formen sind beispielsweise durch Laserabiation oder
Ätzen herstellbar. Auch können die obengenannten grabenfδrmi- gen Ausnehmungen von gekrümmten Flächen begrenzt und beispielsweise mit einem halbkreisförmigem Querschnitt gebildet sein.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Mehrschichtstruktur epitaktisch hergestellt . Aus dem Epita- xiesubstrat kann später zugleich das Fenster gefertigt werden. Besondere Vorteile besitzt die Erfindung bei hochbrechenden Substraten wie beispielsweise SiC mit dementsprechend großen Totalreflexionsbereichen, insbesondere dann, wenn der Brechungsindex des Substrats größer ist als der Brechungsindex der Mehrschichtstruktur. Unter dem Brechungsindex der MehrschichtStruktur ist dabei der Brechungsindex des an das Substrat grenzenden Bereichs der Mehrschichtstruktur zu verstehen, da das Ausmaß der Totalreflexion maßgeblich durch den Brechungsindexsprung an der Grenzfläche zwischen Substrat und Mehrschichtstruktur bestimmt wird. In der Regel setzt sich die MehrschichtStruktur aus Materialien zusammen, deren Unterschiede im BrechungsIndex zueinander gegenüber dem Brechungsindex des Substrats vernachlässigt werden kann. Daher kann als Brechungsindex der Mehrschichtstruktur auch der mittlere Brechungsindex der hierin enthaltenen Materialien herangezogen werden.
Wie eingangs beschrieben, tritt dieser Fall vor allem bei GaN-basierenden MehrschichtStrukturen auf. Dies sind Mehrschichtstrukturen, die GaN oder eine davon abgeleitete oder damit verwandte Verbindung enthalten. Hierzu zählen insbesondere GaN selbst, darauf basierende Mischkristallsysteme wie AlGaN (Alι-xGaxN, O≤x≤l) , InGaN (Inι-xGaxN, O≤x≤l) und AlInGaN (Alι-x_γInxGayN, O≤x≤l, O≤y≤l) sowie AlN, InN und InAlN (In1_xAlχN, O≤x≤l) .
Üblicherweise werden solche Mehrschichtstrukturen auf einem SiC- oder Saphirsubstrat epitaktisch aufgewachsen, das zumin- dest teilweise für die erzeugte Strahlung, vornehmlich im blauen und grünen Spektralbereich, transparent ist. Bei beiden Substraten kann mit der Erfindung die Strahlungsausbeute durch Minderung der Totalreflexionsverluste erhöht werden, wobei die Erfindung für SiC-Substrate aufgrund der eingangs beschriebenen, durch den hohen Brechungsindex entstehenden Problematik von besonderem Vorteil ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf GaN-basierende Systeme beschränkt, sondern kann ebenso bei anderen Halbleitersystemen wie beispielsweise bei GaAs-, GaP- oder ZnSe-basierenden Materialien angewandt werden. Auch hier verbleibt ein erhebli- eher Teil der erzeugten Strahlung aufgrund von Totalreflexion in der Mehrschichtstruktur-Fenster-Anordnung und wird schließlich absorbiert.
Ebenso ist die Erfindung auch für andere als die bisher ge- nannten Fenstermaterialien, beispielsweise Quarzglas, Diamant, ITO (indium tin oxide) oder auf ZnO, SnO, InO oder GaP basierende Materialien vorteilhaft, da in der Regel bei all diesen Fenstern bei der Auskopplung ein Übergang in ein optisch dünneres Medium vorliegt, bei dem Totalreflexion auf- treten kann und der Auskoppelgrad dementsprechend reduziert ist .
Weiterhin ist die Erfindung auch für vergossene oder anderweitig mit einer Umhüllung versehene Halbleiterkörper bezie- hungsweise Fenster vorteilhaft, da die Umhüllung in der Regel den niedrigeren Brechungsindex aufweist, so daß auch in diesem Fall die Strahlungsausbeute durch Totalreflexion vermindert wird.
Ein Fenster aus den genannten Materialien kann nach der Herstellung der Mehrschichtstruktur auf die Mehrschichtstruktur aufgebracht sein. Bei der epitaktischen Herstellung ist dies beispielsweise dadurch möglich, daß nach der Epitaxie das Epitaxiesubstrat abgelöst und das Fenster an dessen Stelle mittels eines Waferbondingverfahrens mit der Mehrschicht-
Struktur verbunden wird. Alternativ kann das Fenster auch auf die epitaktisch hergestellte Halbleiteroberfläche aufgebracht und danach das Epitaxiesubstrat abgelöst werden. Diese Vorgehensweise besitzt den Vorteil, daß das Epitaxiesubstrat wei- ter verwendet werden kann, was insbesondere bei teuren Materialien wie beispielsweise SiC-Substraten zu einem deutlichen Kostenvorteil führt. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines strah- lungsemittierenden Halbleiterbauelements der genannten Art beginnt mit der Bereitstellung einer Fensterschicht, beispielsweise in Form eines geeigneten Substrats oder Wafers, mit einer ersten Hauptfläche und einer der ersten Hauptfläche gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche.
Auf die erste Hauptfläche wird im nächsten Schritt eine Halbleiterschichtenfolge aufgebracht, die der zu bildenen Mehr- Schichtstruktur entspricht. Vorzugsweise erfolgt die Aufbringung epitaktisch oder mittels eines Waferbonding-Verfahrens .
Danach wird die Fensterschicht von der zweiten Hauptfläche her mit einem Sägeblatt mit Formrand eingesägt und damit eine grabenförmige Ausnehmung in dem Substrat gebildet . Die
Schnittiefe ist hierbei geringer als die Dicke der Fensterschicht .
Abschließend werden die Bauelemente fertiggestellt. Dies um- faßt beispielsweise Kontaktierung und Vereinzelung der Halbleiterschichtenfolge. Bei der Vereinzelung wird der Verbund von Fensterschicht und Halbleiterschichtenfolge in eine Mehrzahl von Fenstern mit jeweils darauf angeordneter Mehrschichtstruktur zerteilt.
Alternativ können die Ausnehmungen auch unter Verwendung einer geeigneten Maskentechnik geätzt oder mittels Laserabla- tion hergestellt werden. Diese Alternative ermöglicht die Ausbildung von räumlich isolierten Ausnehmungen, also von Ausnehmungen, die sich nicht über die gesamte Fläche der Fensterschicht oder größere Teilbereiche hiervon erstrecken.
Isolierte Ausnehmungen können beispielsweise wie oben beschrieben in Gestalt eines Kegels, eines Kegelstumpfs, einer Halbkugel, eines Kugelkugelsegment , eines Ellipsoidsegments oder einer ähnlichen Form gebildet sein. Weitere Merkmale, Vorzüge und Zweckmäßigkeiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von acht Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren 1 bis 8 erläutert.
Es zeigen:
Figur la und lb eine schematische, perspektivische Teil- schnittdarstellung und eine schematische Detailansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halblei- terbauelements,
Figur 2 eine schematische, perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements,
Figur 3a und 3b eine schematische, perspektivische Darstellung und eine Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements,
Figur 4 eine schematische, perspektivische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements,
Figur 5 eine schematische, perspektivische Dar- Stellung eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements,
Figur 6 eine schematische Schnittdarstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements,
Figur 7 eine schematische Schnittdarstellung eines siebten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements , Figur 8 eine schematische Schnittdarstellung eines achten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements und
Figur 9 eine schematische Schnittdarstellung eines Halbleiterbauelements nach dem Stand der Technik.
Das in Figur la dargestellte Ausführungsbeispiel weist ein Fenster 1 mit einer ersten Hauptfläche 5 und einer zweiten Hauptfläche 6 auf, wobei auf die ersten Hauptfläche 5 eine Mehrschichtstruktur 2 aufgebracht ist.
Die Mehrschichtstruktur 2 besteht aus einer Mehrzahl von Halbleiterschichten des Systems GaN/AlGaN. Diese Mehrschicht- Struktur 2 enthält eine aktive Schicht 3, die im Betrieb Strahlung 18 erzeugt (beispielhaft dargestellt anhand der Strahlen 18a, b, c) .
Das Fenster 1 ist aus einem zur epitaktischen Herstellung der MehrschichtStruktur 2 verwendeten SiC-Epitaxiesubstrat gefertigt und weist eine grabenförmigen Ausnehmung 4 mit trapezförmigem Querschnitt auf, die bereits in dem Epitaxiesubstrat, vorzugsweise nach der Epitaxie, gebildet wurde.
Abgesehen von dieser Ausnehmung 4 besitzt das Fenster 1 eine quaderförmige einhüllende Grundform. Wie eingangs beschrieben ist bei einer solchen Vorrichtung mit einem Substrat, dessen Brechungsindex größer ist als der Brechungsindex der Mehrschichtstruktur, die Auskopplung der erzeugten Strahlung durch die Fensterflanken 8 aufgrund von Totalreflexion sehr begrenzt .
Durch das Anschrägen der Seitenflächen 7a,b der grabenförmigen Ausnehmung 4 wird der Einfallswinkel für einen Teil 18b, c der von der Flanke 8 des Fensters reflektierten Strahlung so weit erniedrigt, daß er kleiner ist als der Totalreflexions- winkel und somit die Strahlung aus dem Fenster austreten kann.
Strahlungsanteile 18a, die trotz der Schrägstellung der ent- sprechenden Seitenwand 7a so flach einfallen, daß sie an der Seitenwand 7a totalreflektiert werden, werden zwischen der Fensterflanke 8 und der Seitenfläche der Ausnehmung 7a hin- und herreflektiert, wobei der Einfallswinkel nach jeder Reflexion geringer wird, bis schließlich eine Auskopplung mög- lieh ist . Dies ist zur Verdeutlichung in der Detailschnittansicht in Figur lb erläutert .
Der Winkel bezeichnet den Winkel zwischen der Seitenfläche der Ausnehmung 7a und der Flanke des Fensters 8. Ein Strahl 18a, der mit einem Einfallswinkel θi (θχ>θc, θc: Totalreflexionswinkel) auf die Ausnehmungsseitenflache 7a trifft, wird unter Totalreflexion auf die Flanke 8 zurückgeworfen. Der Einfallswinkel θ2 auf die Fensterflanke 8 ist gegenüber dem Einfallswinkel θ bei der vorigen Reflexion um den Betrag α reduziert:
Figure imgf000014_0001
Falls, wie dargestellt, θ2 größer als der Totalreflexionswin- kel θc ist, wird der Strahl 18a erneut auf die Seitenfläche 7a rückreflektiert und trifft dort mit dem Einfallswinkel
θ3 = θ2-α = θα-2α
auf. Es wird also bei jeder Reflexion der Einfallswinkel um den Betrag α reduziert, bis eine Auskopplung stattfinden kann.
Das in Figur 2 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem vorigen Beispiel darin, daß zwei sich unter einem rechten Winkel kreuzende Ausnehmungen 4a, b in dem Fenster 1 gebildet sind, wobei jede Ausnehmung in Form eines Grabens mit trapezförmigem Querschnitt ausgeführt ist. Damit wird die Gesamtauskoppelflache und somit auch die Strahlungsausbeute vorteilhaft weiter erhöht .
Die beschriebenen Ausnehmungen werden vorzugsweise nach der epitaktischen Herstellung der Mehrschichtstruktur 2 durch Einsägen des Epitaxiesubstrats auf der der Mehrschichtstruktur abgewandten Seite mit einem Sägeblatt mit Formrand hergestellt. Der Formrand weist dabei im Querschnitt (Schnitt quer zur Sägerichtung) die dem gewünschten Grabenquerschnitt entsprechende Komplementärform auf.
Das in Figur 2 gezeigte Ausführungsbeispiel wird entsprechend durch zwei sich kreuzende Sägeschnitte hergestellt. Die Säge- tiefe ist dabei kleiner als die Fensterdicke, um die Mehrschichtstruktur 2 nicht zu beschädigen.
Das in Figur 3a perspektivisch dargestelle Ausführungsbei- spiel unterscheidet sich von den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen darin, daß in dem Fenster eine räumlich isolierte, umlaufend begrenzte Ausnehmung 4 in Form einer Halbkugel ausgebildet ist. Solche umlaufend begrenzten Ausnehmungen werden im Gegensatz zu grabenfδrmigen Ausnehmungen vorzugsweise in das Fenster 1' eingeätzt. Figur 3b zeigt einen mittigen, zur Mehrschichtfolge 2 senkrechten Schnitt durch das Ausführungsbeispiel .
Die Herstellung von Ausnehmungen durch Ätzen ist insbesondere geeignet für die Ausbildung einer Vielzahl von Ausnehmungen in einem Fenster 1, wie sie beispielsweise in Figur 4 dargestellt sind. Bei Verwendung einer geeigneten, auf bekannten Technologien beruhenden Maskentechnik können dabei alle Ausnehmungen in einem einzigen Herstellungsschritt kostengünstig erzeugt werden. Die so gebildeten Bauelemente zeichnen sich durch eine hohen Strahlungsausbeute und eine besonders gleichmäßige Strahlungsverteilung auf der Auskoppelflache aus . Die Kontaktierung erfolgt bei dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel über metallisierte Kontaktbänder 9a, b, die zwischen den Ausnehmungen verlaufen und jeweils in einem Drahtanschlußbereich 11a, b enden. Als Gegenkontakt ist eine Kontaktfläche 10 auf die von dem Fenster 1 abwandte Seite der MehrschichtStruktur 2 aufgebracht. Diese Kontaktfläche 10 kann beispielsweise als reflektierende Fläche gebildet sein. Dadurch werden auf die Kontaktfläche auftreffende Strahlungs- anteile wieder in Richtung der Auskoppelflache 6 zurückre- flektiert. Für eine möglichst gleichförmige Stromeinleitung in die Mehrschichtstruktur ist eine vollflächig ausgebildete Kontaktfläche vorteilhaft.
In Figur 5 ist ebenfalls ein Ausführungsbeispiel mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen 4 in einem Fenster 1 gezeigt, die im Unterschied zu dem vorigen Ausführungsbeispiel als zueinander parallele Gräben angeordnet sind. Die Form der einzelnen Ausnehmungen entspricht dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1. Eine solche Struktur kann leicht durch mehrfaches pa- ralleles Einsägen mit einem Formrandsägeblatt hergestellt werden. Diese Formgebung eignet sich insbesondere für großflächige Halbleiterbauelemente.
Die Kontaktierung des Bauelements erfolgt wiederum über zwei metallisierte Streifen 9a, b, die randnah auf die Hauptfläche 6 und die Ausnehmungen 4 aufgebracht sind und jeweils in einem Drahtanschlußbereich 11a, b enden. Der entsprechende Gegenkontakt ist als rückseitige KontaktSchicht 10 auf der MehrschichtStruktur 2 ausgebildet.
Bei dem in Figur 6 dargestellten Ausführungsbeispiel sind im Unterschied zu den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen die Fensterflanken teilweise angeschrägt. Die Fensterflanken weisen hierbei seitens der ersten Fensterhauptfläche 5 einen ersten, zur Hauptfläche 5 orthogonalen Teilbereich 8a auf. Dieser erste Teilbereich 8a geht in Richtung der zweiten Hauptfläche 6 in einen zweiten, schräg zu den Hauptflächen 5 und 6 angeordneten Teilbereich 8b über. Ferner ist wie bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel in dem Fenster 1 ein Ausnehmung 4 mit schrägstehenden Seitenflächen 7 gebildet .
Durch diese Formgebung wie vorteilhafterweise die Strahlungsausbeute weiter erhöht, da die angeschrägten Bereiche 8b der Fensterflanken in ähnlicher Weise wie die schägstehenden Seitenflächen 7 der Ausnehmung 4 den Anteil der totalreflektier- ten Strahlung vermindern. Im ersten Teilbereich 8a der Fensterflanken weist das Fenster zudem eine quaderförmige Grundform auf, die, wie beschrieben, die Montage des Halbleiterbauelements erleichtert und insbesondere für automatische Bestückungsanlagen vorteilhaft ist. Selbstverständlich kann auch auf die quaderförmige Grundform ganz verzichtet werden, um eine noch höhere Strahlungsausbeute zu erreichen.
In Figur 7 ist ein Ausführungsbeispiel eines optischen Bauelements gezeigt, das ein erfindungsgemäßes strahlungsemit- tierendes Halbleiterbauelement enthält. Das Halbleiterbauelement entspricht dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 und ist auf einen metallischen Kühlkörper 12, beispielsweise einen Kupferblock, aufgebracht. Der Kühlkörper ist elektrisch leitend mit der rückseitig auf der Mehrschichtstruktur 2 ausge- bildeten Kontaktschicht 10 verbunden und dient sowohl der
Wärmeabfuhr als auch der Kontaktierung. Das Halbleiterbauelement kann dabei auf den Kühlkörper 12 mittels eines elektrisch leitenden Klebstoffs aufgeklebt oder aufgelötet sein.
Abstrahlungsseitig ist das Halbleiterbauelement mit einem
Verguß 13 abgedeckt. Dieser Verguß besteht aus einem Reaktionsharz, vorzugsweise einem Epoxid- , Acryl- oder Silikonharz, der unter anderem dem Schutz des Halbleiterbauelements vor schädlichen Umgebungseinflüssen dient.
Zusätzlich kann der Verguß auch als Träger oder Matrix für ein Strahlungskonversionselement dienen. So kann beispiels- weise durch Suspension eines geeigneten Farbstoffs in die Vergußmasse ein Bauelement geschaffen werden, das mischfarbiges Licht, bestehend aus dem Licht des Halbleiterbauelements und dem von dem Farbstoff umgewandelten Licht, abstrahlt. Bei Verwendung eines im blauen Spektralbereich emittierenden Halbleiterbauelements und einem Farbstoff, der bei Anregung in diesem Spektralbereich im gelb-orangen Spektralbereich lu- minesziert, wird so eine Weißlichtquelle auf Halbleiterbasis geschaffen.
In Figur 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines optischen Bauelements gezeigt. Hier sind zwei, dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 entsprechende Halbleiterbauelemente auf einen gewinkelten Kühlkörper 12 aufgebracht . Auf einen Verguß wurde verzichtet, da bereits durch die Formgebung der Fensterschicht die Auskopplung gegenüber Bauelementen nach dem Stand der Technik erhöht ist. Damit entfallen auch die mit einem Verguß verbunden Risiken für das Bauelement wie beispielsweise die Gefahr einer Delamination des Vergusses vom Halbleiterkörper oder eine mögliche Alterung und Vergilbung des Vergusses.
Alternativ ist natürlich eine Abdeckung des Halbleiterbauelements mittels eines Vergusses möglich, falls dieser, bei- spielsweise zum Schutz des Halbleiterkörpers, zur Ausbildung eines optischen Elements wie etwa einer Linse, zur weiteren Erhöhung der Strahlungsausbeute oder als Matrix für Leuchtstoffe, erwünscht ist.
Die gezeigte Formgebung der Fensterschicht und insbesondere die Ausbildung von Ausnehmungen in Form mehrerer paralleler Gräben bewirkt eine gerichtete Abstrahlung der erzeugten Strahlung. Unter Berücksichtigung dieser gerichteten Abstrahlcharakteristik lassen sich Module mit einer Mehrzahl von Halbleiterbauelement realisieren, die eine komplexere Ab- strahlcharaktierisik aufweisen. Solche komplexere Abstrahl- charaktistiken erfordern in der Regel zusätzliche, aufwendige Optiken. Auf diese kann bei der Erfindung ebenso wie auf einen Reflektor vorteilhafterweise verzichtet werden, so daß derartige Module besonders platzsparend angeordnet werden können.
Die Erläuterung der Erfindung anhand der dargestellten Ausführungsbeispiele stellt selbstverständlich keine Einschränkung der Erfindung auf diese dar.

Claims

Patentansprüche
1. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit einer Mehrschichtstruktur (2) , einer aktiven, der Strahlungserzeu- gung dienenden Schicht (3) innerhalb der Mehrschichtstruktur (2), elektrischen Kontakten (9a, b, 10), die mit der aktiven Schicht (3) elektrisch leitend verbunden sind und einem strahlungsdurchlässigen Fenster (1) mit einer ersten Hauptfläche (5) und einer der ersten Hauptfläche (5) gegen- überliegenden zweiten Hauptfläche (6) , das mit der ersten Hauptfläche (5) an die Mehrschichtstruktur (3) grenzt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in dem Fenster (1) von der zweiten Hauptfläche (6) her mindestens eine grabenartige oder grubenartige Ausnehmung (4) ge- bildet ist, die die Strahlungsauskopplung aus dem Fenster (1) erhöht .
2. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Fenster (1) Seitenflächen (8) aufweist, die senkrecht zu den Hauptflächen (5, 6) angeordnet sind oder zu den Hauptflächen (5, 6) orthogonale Teilbereiche aufweisen.
3. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Fenster (1) eine quader- oder würfelartige einhüllende Grundform aufweist.
4. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ausnehmung (4) mindestens eine ebene Seitenfläche (7a, b) aufweist, die mit der zweiten Hauptfläche (6) einen von 90° verschiedenen Winkel, vorzugsweise zwischen 20° und 70°, einschließt .
5. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ausnehmung (4) eine Bodenfläche aufweist, die vorzugs- weise parallel zur zweiten Hauptfläche (6) ist.
6. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß , die Ausnehmung (4) in Form eines Grabens mit einem dreieckigen oder trapezförmigen Querschnitt gebildet ist, der sich zur ersten Hauptfläche (5) hin verjüngt.
7. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach An- spruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Mehrzahl von grabenförmigen Ausnehmungen (4) in dem Fenster (1) ausgebildet ist.
8. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ausnehmung (4) von mindestens einer gekrümmten Fläche begrenzt wird.
9. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ausnehmung (4) im wesentlichen die Form einer Halbkugel, eines Kugelsegments, eines Ellipsoidsegments, eines Kegels oder eines Kegelstumpfs aufweist.
10. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Brechungsindex des Fensters (1) größer als der Brechungs- index der MehrschichtStruktur (3) ist.
11. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Fenster (1) Saphir, Quarzglas, Diamant, ITO, SnO, ZnO, InO, SiC oder GaP enthält.
12. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die MehrschichtStruktur auf GaN basiert und insbesondere mindestens eine der Verbindungen GaN, Alι_xGaxN (O≤x≤l) , Inx-xGaxN (O≤x≤l) oder Alι-x-yInxGayN (O≤x≤l, O≤y≤l) enthält.
13. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Mehrschichtstruktur (3) epitaktisch hergestellt ist.
14. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach An- spruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Mehrschichtstruktur (3) auf einem Epitaxiesubstrat aufgeschieden wird und das Fenster (1) aus dem Epitaxisubstrat gefertigt ist.
15. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Fenster (1) mit der Mehrschichtstruktur (3) mittels eines Waferbondingverfahrens verbunden ist.
16. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 15, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h die Schritte - Bereitstellen einer Fensterschicht mit einer ersten
Hauptfläche und einer der ersten Hauptfläche gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche, Aufbringen einer Halbleiterschichtenfolge auf die erste Hauptfläche der Fensterschicht,
Ausbilden mindestens einer Ausnehmung in der Fensterschicht von der zweiten Hauptfläche her, - Fertigstellen des Halbleiterbauelements.
17. Verfahren nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Halbleiterschichtenfolge epitaktisch auf der Fenster- schicht abgeschieden wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Halbleiterschichtenfolge mittels eines Waferbonding-Ver- fahrens auf die Fensterschicht aufgebracht wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ausnehmung durch Einsägen der Fensterschicht auf der zweiten Hauptfläche gebildet wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die zweite Hauptfläche mit einem Sägeblatt mit Formrand ein- gesägt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Sägeblatt im Sägebereich einen trapezförmigen Querschnitt aufweist.
22. Verfahren nach einem der Anspruch 16 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ausnehmung in die zweite Hauptfläche eingeätzt wird.
23. Verfahren nach einem der Anspruch 16 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ausnehmung durch ein Laserablationsverfahren hergestellt wird.
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