BESCHREIBUNG

Lichtemittierende Dioden ( „LED" ) sind Halbleitervorrichtungen mit einem Halbleiterschichtstapel , der eine Abfolge aus einer ersten Halbleiterschicht von einem ersten Leit f ähigkeitstyp, beispielsweise n-Typ, und eine zweite Halbleiterschicht von einem zweiten Leit f ähigkeitstyp, beispielsweise p-Typ, aufweisen . Wenn eine Spannung an den Halbleiterschichtstapel angelegt wird, werden aufgrund der Rekombination von Elektronen und Löchern Photonen emittiert . Allgemein stellt eine LED einen Lambert ’ sehen Emitter dar, der elektromagnetische Strahlung über eine Hauptoberfläche des Halbleiterschichtstapels emittiert . Dabei ändert sich die Intensität der emittierten elektromagnetischen Strahlung in Abhängigkeit von einem Emissionswinkel .

Für viele Anwendungen ist eine punktförmige Lichtquelle mit möglichst kleinen Abmessungen im pm-Bereich erwünscht . Daher werden Konzepte entwickelt , mit denen verbesserte optoelektronische Halbleitervorrichtungen hergestellt werden können .

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements sowie ein verbessertes optoelektronisches Halbleiterbauelement bereitzustellen .

Gemäß Aus führungs formen wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst . Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert . Ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements umfasst Strukturieren eines Maskierungsmaterials über einem Wachstumssubstrat , so dass ein Muster von freiliegenden Oberflächenbereichen erzeugt wird und epitaktisches Aufwachsen eines ersten über den freiliegenden Oberflächenbereichen, wobei in einem Bereich, der dem Wachstumssubstrat zugewandt ist , Säulen ausgebildet werden, und in einem Bereich, der vom Wachstumssubstrat abgewandt wird, eine zusammenhängende erste Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet wird . Das Verfahren umfasst weiterhin ein Ausbilden einer aktiven Zone über der ersten Halbleiterschicht und den Säulen, wobei die aktive Zone geeignet ist , elektromagnetische Strahlung zu emittieren oder zu absorbieren, und ein epitaktisches Aufwachsen einer zweiten Halbleiterschicht eines zweiten Leit f ähigkeitstyps über der aktiven Zone . Dabei erfüllt ein Modalwert M ( d) eines Abstands d zwischen Mittelpunkten der freiliegenden Bereiche folgende Bedingung erfüllt : M ( d) < 1 , 5 * , wobei X die mittlere Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung in dem ersten Halbleitermaterial bezeichnet .

Der Begri f f „Modalwert" , der in der vorliegenden Of fenbarung verwendet wird, bezeichnet einen am häufigsten vorkommenden Wert innerhalb der vorhandenen Abstände zwischen den Mittelpunkten . Beispielsweise kann für den Modalwert M ( d) des Abstands folgende Beziehung gelten : 0 , 4 * X < M ( d) < 0 , 6 * X .

Das Halbleitermaterial kann beispielsweise InGaN enthalten . Beispielsweise kann ein In-Gehalt des Halbleitermaterials mit zunehmendem Abstand vom Wachstumssubstrat zunehmen . Beispielsweise kann ein Brechungsindex von InGaN in einem Bereich von 2 , 2 bis 2 , 4 liegen, ein Brechungsindex von AIN in einem Bereich von 2 , 0 bis 2 , 2 liegen, j e nach Herstellungsverfahren . Entsprechend kann, unter Berücksichtigung dieses Brechungsindexbereichs, für den Modalwert M(d) des Abstands folgende Beziehung gelten: M(d) < 0, 625 * X' oder

0,16 * M(d) < X' < 0,3 * M(d) , wobei X' die Wellenlänge im Vakuum bezeichnet.

Der Begriff „mittlere Wellenlänge in einem Halbleitermaterial" bezieht sich auf eine über verschiedene Brechungsindizes gemittelte effektive Wellenlänge. Die effektive Wellenlänge hängt von einem Brechungsindex im Ausbreitungsmedium ab. Ändert sich der Brechungsindex aufgrund eines sich räumlich ändernden Zusammensetzungsverhältnisses, so wird über die verschiedenen Brechungsindizes bzw. die verschiedenen effektiven Wellenlängen gemittelt.

Gemäß Aus führungs formen kann das erste Halbleitermaterial derart aufgewachsen werden, dass ein Brechungsindex des ersten Halbleitermaterials verändert wird. Beispielsweise kann sich der Brechungsindex des ersten Halbleitermaterials periodisch ändern. Dabei kann eine Periode p, innerhalb der sich der Brechungsindex periodisch ändert, folgende Beziehung erfüllen: 0 , 4 * X < p < 0 , 6 * X, wobei X der Wellenlänge innerhalb des ersten Halbleitermaterials entspricht.

Beispielsweise kann das erste Halbleitermaterial mit Dotierstoffen eines ersten Leit f ähigkeitstyps dotiert sein. Gemäß weiteren Aus führungs formen kann das erste Halbleitermaterial in dem Bereich, in dem Säulen ausgebildet werden, undotiert sein und dem Bereich, in dem die zusammenhängende erste Halbleiterschicht ausgebildet wird, mit Dotierstoffen des ersten Leit f ähigkeitstyp dotiert sein.

Gemäß Aus führungs formen kann das Verfahren ferner das Aufbringen eines Trägersubstrats über der zweiten Halbleiterschicht und das Ablösen des Wachstumssubstrats umfassen, so dass die Säulen im Bereich einer ersten Hauptoberfläche eines sich ergebenden Bauelements oder Werkstücks angeordnet sind .

Die Säulen können von einem Teil des optoelektronischen Halbleiterbauelements entfernt werden . Beispielsweise können die Säulen aus einem Bereich des optoelektronischen Halbleiterbauelements , der mit dem aktiven Bereich hori zontal nicht überlappt , entfernt werden . Beispielsweise können die Säulen aus dem gesamten Bereich oder aus einem Teil des Bereichs des optoelektronischen Halbleiterbauelements , der mit dem aktiven Bereich hori zontal nicht überlappt , entfernt werden .

Gemäß weiteren Aus führungs formen können die Säulen aus einem Bereich des optoelektronischen Halbleiterbauelements , der mit dem aktiven Bereich hori zontal überlappt , entfernt werden . Beispielsweise können die Säulen aus dem gesamten Bereich oder aus einem Teil des Bereichs des optoelektronischen Halbleiterbauelements , der mit dem aktiven Bereich hori zontal überlappt , entfernt werden .

Das Verfahren kann ferner das Ausbilden eines ersten Kontaktelements in einem Bereich, aus dem die Säulen entfernt worden sind, umfassen . Beispielsweise können hier die Säulen undotiert ausgebildet sein .

Weiterhin kann das Verfahren das Aufbringen einer Kontaktschicht vom ersten Leit f ähigkeitstyp über dem Wachstumssubstrat umfassen, wobei die Maskierungsschicht über der Kontaktschicht aufgebracht wird und das erste Halbleitermaterial des ersten Leit f ähigkeitstyps über der Kontaktschicht aufgewachsen wird . Beispielsweise kann hier das erste Halbleitermaterial dotiert sein . Beispielsweise kann das Wachstumssubstrat nach Aufbringen des Trägersubstrats über der zweiten Halbleiterschicht abgelöst werden, ferner kann mindestens ein Teil der Kontaktschicht nach Ablösen des Wachstumssubstrats entfernt werden .

Gemäß Aus führungs formen umfasst ein optoelektronisches Halbleiterbauelement eine erste Halbleiterschicht eines ersten Leit f ähigkeitstyps , eine zweite Halbleiterschicht eines zweiten Leit f ähigkeitstyps , und eine aktive Zone , die geeignet ist , elektromagnetische Strahlung zu emittieren, zwischen der ersten und der zweiten Halbleiterschicht , wobei die erste Halbleiterschicht , die aktive Zone und die zweite Halbleiterschicht unter Ausbildung eines Halbleiterschichtstapels angeordnet sind und die aktive Zone an eine zweite Hauptoberfläche der ersten Halbleiterschicht angrenzt . Das optoelektronische Halbleiterbauelement umfasst ferner eine geordnete photonische Struktur über einer ersten Hauptoberfläche der ersten Halbleiterschicht , wobei die geordnete photonische Struktur direkt an die erste Halbleiterschicht angrenzt , über der aktiven Zone angeordnet ist und Säulen, die ein Material der ersten Halbleiterschicht enthalten, umfasst . Ein Modalwert M ( d) eines Abstands d zwischen Mittelpunkten der Säulen erfüllt folgende Bedingung : M ( d) < 1 , 5 * , wobei X die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung in der ersten Halbleiterschicht bezeichnet .

Beispielsweise kann folgende Bedingung erfüllt sein :

0 , 4 * X < M ( d) < 0 , 6 *X .

Beispielsweise kann ein Halbleitermaterial der ersten Halbleiterschicht InGaN enthalten . Ein In-Gehalt des Halbleitermaterials der Säulen kann dabei mit zunehmendem Abstand von der ersten Halbleiterschicht abnehmen . Weiterhin kann eine Defektdichte innerhalb der Säulen mit zunehmendem Abstand von der ersten Halbleiterschicht zunehmen .

Beispielsweise können die Säulen aus einem Teil des optoelektronischen Halbleiterbauelements entfernt sein .

Beispielsweise kann ein Teil des optoelektronischen Halbleiterbauelements , in dem Säulen vorliegen, kleiner als eine hori zontale Ausdehnung der aktiven Zone sein .

Das optoelektronisches Halbleiterbauelement kann ferner ein erstes Kontaktelement , das mit der ersten Halbleiterschicht elektrisch verbunden ist , aufweisen, wobei das erste Kontaktelement in dem Teil des optoelektronischen Halbleiterbauelements angeordnet ist , aus dem die Säulen entfernt sind .

Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Aus führungsbeispielen der Erfindung . Die Zeichnungen veranschaulichen Aus führungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung deren Erläuterung . Weitere Aus führungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittelbar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung . Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt . Gleiche Bezugs zeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen .

Die Figuren 1A bis IC veranschaulichen Schritte zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements .

Die Figuren 2A bis 2C veranschaulichen weitere Schritte zur Herstellung eines Halbleiterbauelements . Figur 2D zeigt ein Halbleiterbauelement gemäß Aus führungs formen .

Figur 3 zeigt Komponenten eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß weiteren Aus führungs formen .

Figur 4 zeigt Komponenten eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß weiteren Aus führungs formen .

Figur 5 zeigt Komponenten eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß weiteren Aus führungs formen .

Figur 6A zeigt eine Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß Aus führungs formen .

Figur 6B zeigt eine Draufsicht des in Figur 6A gezeigten optoelektronischen Halbleiterbauelements .

Figur 6C zeigt eine Anordnung von Halbleiterbauelementen gemäß Aus führungs formen .

Figur 7 zeigt eine schematische Ansicht einer elektrischen Vorrichtung gemäß Aus führungs formen .

Figur 8 fasst ein Verfahren gemäß Aus führungs formen zusammen .

In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Of fenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungs zwecken spezi fische Ausführungsbeispiele gezeigt sind . In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie "Oberseite" , "Boden" , "Vorderseite" , "Rückseite" , "über" , " auf" , "vor" , "hinter" , "vorne" , "hinten" usw . auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figuren bezogen . Da die Komponenten der Aus führungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise einschränkend .

Die Beschreibung der Aus führungsbeispiele ist nicht einschränkend, da auch andere Aus führungsbeispiele existieren und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei vom durch die Patentansprüche definierten Bereich abgewichen wird . Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Aus führungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Aus führungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt .

Die Begri f fe "Wafer" oder "Halbleitersubstrat" , die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können j egliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halbleiteroberfläche hat . Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Halbleiterschichten, gegebenenfalls getragen durch eine Basisunterlage , und weitere Halbleiterstrukturen einschließen . Beispielsweise kann eine Schicht aus einem ersten Halbleitermaterial auf einem Wachstumssubstrat aus einem zweiten Halbleitermaterial , beispielsweise einem GaAs-Substrat , einem GaN-Substrat oder einem Si- Substrat oder aus einem isolierenden Material , beispielsweise auf einem Saphirsubstrat , gewachsen sein .

Je nach Verwendungs zweck kann der Halbleiter auf einem direkten oder einem indirekten Halbleitermaterial basieren . Beispiele für zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung besonders geeignete Halbleitermaterialien umfassen insbesondere Nitrid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise ultraviolettes , blaues oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaN, InGaN, AIN, AlGaN, AlGalnN, AlGalnBN, Phosphid-Halb- leiterverbindungen, durch die beispielsweise grünes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaAsP, AlGalnP, GaP, AlGaP, sowie weitere Halbleitermaterialien wie GaAs, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga2Ü3, Diamant, hexagonales BN und Kombinationen der genannten Materialien. Das stöchiometrische Verhältnis der Verbindungshalbleitermaterialien kann variieren. Weitere Beispiele für Halbleitermaterialien können Silizium, Silizium-Germanium und Germanium umfassen. Im Kontext der vorliegenden Beschreibung schließt der Begriff „Halbleiter" auch organische Halbleitermaterialien ein.

Der Begriff „Substrat" umfasst generell isolierende, leitende oder Halbleitersubstrate.

Der Begriff "vertikal", wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Die vertikale Richtung kann beispielsweise einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten entsprechen .

Die Begriffe "lateral" und "horizontal", wie in dieser Beschreibung verwendet, sollen eine Orientierung oder Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder eines Chips (Die) sein.

Die horizontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten liegen.

Der Begriff „Säule", der im Rahmen der vorliegenden Offenbarung verwendet wird, bezeichnet eine Struktur mit einem beliebigen, beispielsweise runde, ovalen oder eckigen Querschnitt, die sich in einer vertikalen Richtung erstreckt . Es ist beabsichtigt , dass sich der Durchmesser einer Säule nur unwesentlich entlang der vertikalen Richtung ändert . Beispielsweise ist ein Unterschied zwischen dem maximalen und dem minimalen Durchmesser einer Säule kleiner als ein minimaler Durchmesser einer Säule .

Wie in Figur 1A dargestellt ist , wird über einem geeigneten Wachstumssubstrat 100 , welches beispielsweise ein Sili ziumsubstrat oder ein Saphirsubstrat sein kann, eine strukturierte Maskierungsschicht 105 erzeugt . Beispielsweise kann, wie in Figur 1A dargestellt ist , zunächst eine Kontaktschicht , beispielsweise eine n-dotierte Kontaktschicht 102 , über dem Wachstumssubstrat 100 , beispielsweise in direktem Kontakt zu dem Wachstumssubstrat 100 aufgebracht werden . Gemäß Aus führungs form kann die Kontaktschicht 102 eine InGaN-Kontakt- schicht sein .

Sodann wird eine Maskierungsschicht beispielsweise aus Sili ziumoxid oder Sili ziumnitride ausgebildet und strukturiert . Beispielsweise kann die Strukturierung ein fotolithografisches Verfahren beispielsweise unter Verwendung eines Steppers oder von Elektronenstrahllithografie umfassen . Beispielsweise kann durch die Strukturierung ein bereichsweise regelmäßiges , beispielsweise hexagonales , Muster von beispielsweise runden Löchern in der Maskierungsschicht erzeugt werden . Beispielsweise kann die Maskierungsschicht weiterhin durch Ätzen strukturiert werden . Als Ergebnis ergibt sich ein strukturiertes Maskierungsmaterial 105 , wobei ein Muster von freiliegenden Oberflächenbereichen 106 erzeugt wird . Die freiliegenden Oberflächenbereiche 106 sind nicht mit dem Maskierungsmaterial 105 bedeckt .

Beispielsweise können in einem Fall wie in Figur 1A, in dem eine n-Kontaktschicht vorgesehen ist , Oberflächenbereiche der n-Kontaktschicht 102 freiliegen . Die Mittelpunkte der freiliegenden Bereiche 106 können beispielsweise einen Abstand d haben .

Danach wird ein erstes Halbleitermaterial über den freiliegenden Oberflächenbereichen 106 epitaktisch auf gewachsen . Dabei bilden sich, wie in Figur 1B gezeigt , Säulen 108 aus . Gemäß Aus führungs formen kann ein Material der ersten Halbleiterschicht InGaN sein . Um einen gewünschten Wellenlängenbereich der emittierten elektromagnetischen Strahlung zu erreichen, wird während des Aufwachsens der ersten Halbleiterschicht die In-Konzentration beispielsweise schrittweise erhöht , um schließlich in der nachfolgend auf zuwachsenden ersten Halbleiterschicht die gewünschte In-Konzentration zu erreichen . Aufgrund von Gitterf ehlanpassungen entstehen dabei Defekte 107 , die zur Seite der entstehenden Säulen 108 hinauswachsen . Dies ist in Figur 1B angedeutet . Beispielsweise kann gemäß den im Rahmen der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Aus führungs formen ein Durchmesser der Säulen kleiner als ( 0 , 75*d) oder kleiner als ( 0 , 5*d) sein, wobei d dem Abstand zwischen Säulenmittelpunkten entspricht . Danach werden die Wachstumsbedingungen geändert , so dass nach Erreichen einer geringen Defektdichte ein Zusammenwachsen der Säulen herbeigeführt wird und eine durchgehende erste Halbleiterschicht 110 entsteht .

Beispielsweise kann das erste Halbleitermaterial mit Dotierstof fen eines ersten Leit f ähigkeitstyps , beispielsweise n-Typ, dotiert sein . Gemäß weiteren Aus führungs formen kann das erste Halbleitermaterial in einem Bereich, in dem die Säulen 108 ausgebildet werden, undotiert sein . In dem Bereich, in dem die durchgehende erste Halbleiterschicht 110 ausgebildet wird, kann das erste Halbleitermaterial mit Dotierstof fen des ersten Leit f ähigkeitstyps dotiert werden . Beispielsweise kann die entstehende erste Halbleiterschicht 110 eine In _x Gai- _x N-Schicht mit einem hohen In-Gehalt sein . Beispielsweise kann x größer als 0 . 3 sein . Beispielsweise können die Säulen 108 derart aufgebracht werden, dass der Bereich, in dem die Säulen vorliegen, eine Schichtdicke von mindestens 0 , 5 pm hat . Beispielsweise kann eine maximale Dicke des Bereichs , in dem die Säulen 108 vorliegen, 2 bis 3 pm sein . In dem Schichtbereich mit zusammengewachsenen Säulen ist die Zusammensetzung derart gewählt , dass eine Gitterkonstante an die Gitterkonstante der auf zubringenden aktiven Zone angepasst ist . Auf diese Weise kann die Defektdichte minimiert und die Ef fi zienz des Bauelements erhöht werden .

Wie in Figur IC weiterhin dargestellt ist , können anschließend eine aktive Zone 115 und eine zweite Halbleiterschicht eines zweiten Leit f ähigkeitstyps , beispielsweise p-Typ, über der aktiven Zone 115 ausgebildet werden . Das Material der zweiten Halbleiterschicht kann ebenfalls InGaN, beispielsweise In _y Gai- _y N sein .

Die aktive Zone kann beispiel sweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopf-Struktur ( SQW, single quantum well ) oder eine Mehrfach-Quantentopf-Struktur (MQW, multi quantum well ) zur Strahlungserzeugung aufweisen . Die Bezeichnung „Quantentopf-Struktur" entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung . Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge , Quantendrähte und Quantenpunkte sowie j ede Kombination dieser Schichten .

Bei dem beschriebenen Verfahren kann ein Modalwert M ( d) eines Abstands d zwischen den Mittelpunkten der freiliegenden Bereiche 106 folgende Bedingung erfüllen : M ( d) < 0 , 625 * X ' , oder 0,16 * X' < M(d) < 0,5 * X' oder 0,2 * X' < M(d) < 0,3 *X', wobei X' die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung im Vakuum bezeichnet.

Figur IC zeigt eine Querschnittsansicht eines sich ergebenden Werkstücks 118.

Wie in Figur 2A dargestellt ist, kann nachfolgend eine Mesa- struktur 122 definiert werden, beispielsweise durch Ätzen. Beispielsweise können ein Teil der aktiven Zone 115 und ein Teil der zweiten Halbleiterschicht 120 entfernt werden. Als Ergebnis kann ein Teil einer Oberfläche der ersten Halbleiterschicht 110 freiliegen.

Anschließend kann, wie in Figur 2B dargestellt ist, ein zweiter Kontaktbereich 123 aufgebracht und strukturiert werden. Beispielsweise kann ein Metall des zweiten Kontaktbereichs ein hohes Reflexionsvermögen aufweisen. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann anstelle eines Metalls auch ein transparentes leitfähiges Oxid („ITO", Indiumzinnoxid, oder „TCO", transparentes leitfähiges Oxid) oder eine Kombination aus einem solchen Oxid und einem Metall verwendet werden. Weiterhin kann eine Isolationsschicht 124, beispielsweise ein isolierendes Oxid oder Siliziumnitrid, aufgebracht werden. Anschließend kann eine durchgehende Spiegelschicht 125 ausgebildet werden. Die Spiegelschicht 125 kann beispielsweise einen Teil der ersten Halbleiterschicht 110, eine Seitenflanke der Mesa 122 sowie den zweiten Kontaktbereich 123 und die zweite Halbleiterschicht 120 bedecken. Ein Material der Spiegelschicht kann beispielsweise ein hohes Reflexionsvermögen aufweisen und kann Gold, Silber oder Aluminium umfassen. Die Spiegelschicht kann weitere Schichten zur Anbindung an eine folgende Lotschicht aufweisen. Figur 2B zeigt eine Querschnittsansicht eines sich ergebenden Werkstücks 118. Danach kann das Werkstück 118 beispielsweise über ein geeignetes Lotmaterial 127 auf ein Trägersubstrat 130 aufgebracht und gelötet werden . Alternativ kann anstelle des Lotmaterials 127 auch ein elektrisch leitfähiger Klebstof f verwendet werden . Nach Verbindung mit dem Trägersubstrat 130 kann das Wachstumssubstrat 100 entfernt werden, beispielsweise durch ein La- ser-Li ft-Of f-Verfahren . Figur 2C veranschaulicht diesen Verfahrensschritt .

Nach Umdrehen des Werkstücks 118 kann ein erster Kontaktbereich 112 ausgebildet werden . Beispielsweise kann eine Emission der erzeugten elektromagnetischen Strahlung über den ersten Kontaktbereich 112 erfolgen . Entsprechend kann der erste Kontaktbereich 112 als transparenter Kontaktbereich ausgebildet werden . Der transparente erste Kontaktbereich 112 kann beispielsweise ein transparentes Oxid, optional in Kombination mit einer sehr dünnen oder als nicht zusammenhängende sehr kleine Metallisierungen ausgebildeten Metallschicht , umfassen und einen Transmissionsgrad von mindestens 50 % aufweisen . Wie in Figur 2D weiterhin gezeigt ist , kann eine I solationsschicht 114 unter einem ersten Kontaktelement 113 zur Verbindung mit einer Stromquelle angebracht sein . Durch die I solationsschicht 114 wird eine Inj ektion von Ladungsträgern in einen Bereich außerhalb des aktiven Bereichs des optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 verhindert oder verringert . Figur 2D zeigt eine Querschnittsansicht eines Beispiels eines entsprechend hergestellten optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 .

Figur 2D zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 gemäß Aus führungsformen . Das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 weist einen Halbleiterschichtstapel auf , der eine erste Halbleiterschicht 110 eines ersten Leit f ähigkeitstyps , beispielsweise n- leitend, eine zweite Halbleiterschicht 120 eines zweiten Leit- f ähigkeitstyps , beispielsweise p-leitend, und eine aktive Zone 115 aufweist . Die aktive Zone 115 ist geeignet , elektromagnetische Strahlung zu emittieren . Die aktive Zone 115 ist zwischen der ersten und der zweiten Halbleiterschicht 110 , 120 angeordnet . Die aktive Zone 115 grenzt an eine zweite Hauptoberfläche 121 der ersten Halbleiterschicht 110 an . Eine geordnete photonische Struktur 109 ist über einer ersten Hauptoberfläche 111 der ersten Halbleiterschicht 110 angeordnet . Die geordnete photonische Struktur 109 grenzt direkt an die erste Halbleiterschicht 110 an und ist über der aktiven Zone 115 angeordnet . Die geordnete photonische Struktur umfasst Säulen 108 , die ein Material der ersten Halbleiterschicht 110 enthalten . Ein Modalwert M ( d) eines Abstands d zwischen Mittelpunkten der Säulen 108 erfüllt die folgende Bedingung :

M ( d) < 1 , 5 * X oder

0 , 4 * X < M ( d) < 0 , 6 *X, wobei X die Wellenlänge der von der aktiven Zone 115 emittierten elektromagnetischen Strahlung im Halbleitermaterial bezeichnet . Weiterhin kann gemäß den im Rahmen der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Aus führungs formen ein Durchmesser der Säulen 108 kleiner als ( 0 , 75*d) oder kleiner als ( 0 , 5*d) sein .

Weiterhin kann gemäß den im Rahmen der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Aus führungs formen eine Höhe der Säulen, also beispielsweise ein Abstand zwischen den angrenzenden hori zontalen Oberflächenbereiche der benachbarten Halbleiterschichten, beispielsweise der ersten Halbleiterschicht 110 und der Halbleiter-Kontaktschicht 102 vom ersten Leit f ähigkeitstyp größer als 200 nm, beispielsweise größer als 300 nm oder größer als 500 nm sein . Beispielsweise kann bei einem Abstand größer als 200 nm, beispielsweise größer als 300 nm oder größer als 500 nm über der kontinuierlich ausgebildeten ersten Halbleiterschicht 110 , der Durchmesser der Säulen mindestens 25% oder mindestens 50 % des Abstands d zwischen benachbarten Säulen betragen .

Im Rahmen der vorliegenden Of fenbarung bedeutet der Begri f f „geordnete photonische Struktur" eine Struktur, deren Strukturelemente an vorbestimmten Stellen angeordnet sind . Das Anordnungsmuster der Strukturelemente unterliegt einer speziellen Ordnung . Die Funktionalität der geordneten photonischen Struktur ergibt sich über die Anordnung der Strukturelemente . Die Strukturelemente sind beispielsweise derart angeordnet , dass Beugungseffekte auftreten . Die Strukturelemente können beispielsweise periodisch angeordnet sein, so dass ein photonischer Kristall verwirklicht wird . Gemäß weiteren Aus führungs formen können die Strukturelemente auch derart angeordnet sein, dass sie deterministische aperiodische Strukturen, beispielsweise Vogel-Spiralen darstellen . Gemäß weiteren Aus führungs formen können die Strukturelemente auch derart angeordnet sein, dass sie einen quasiperiodischen Kristall , beispielsweise ein Archimedisches Gitter verwirklichen . Gemäß weiteren Aus führungs formen umfasst der Begri f f „geordnete photonische Struktur" auch periodische Strukturen mit größeren Perioden, so dass beispielsweise keine vollständige photonische Bandlücke erzielt wird . Derartige periodische Strukturen können noch nutzbare Einflüsse auf die Lichtausbreitung aufweisen .

Die geordnete photonische Struktur 109 ist über der aktiven Zone 115 angeordnet . Genauer gesagt , ist die geordnete photonische Struktur 109 entlang einer vertikalen Emissionsrichtung von elektromagnetischer Strahlung angeordnet . Entsprechend überlappt die geordnete photonische Struktur 109 mit der aktiven Zone 115 in hori zontaler Richtung . Wie weiterhin in Figur 2D zu sehen ist , ist die geordnete photonische Struktur 109 über einer ersten Hauptoberfläche der ersten Halbleiterschicht 110 angeordnet . Die erste Hauptoberfläche 111 kann Vertiefungen aufweisen . Diese Vertiefungen können beispielsweise durch ein Überwachsen der Säulen 108 während des Epitaxie-Verfahrens bedingt sein . Die geordnete photonische Struktur 109 beziehungsweise die Säulen 108 , die die geordnete photonische Struktur 109 ausbilden, grenzen direkt an die erste Halbleiterschicht 110 an . Beispielsweise können die Säulen 108 in einem Bereich der Grenz fläche zur ersten Halbleiterschicht 110 ein ähnliches oder gleiches Zusammensetzungsverhältnis und eine gleiche oder ähnliche Dotierstof fkonzentration wie die erste Halbleiterschicht 110 aufweisen . Das Zusammensetzungsverhältnis und die Dotierstof fkonzentration kann aber auch verschieden sein . Beispielsweise können die Säulen 108 mit Dotierstof fen des ersten Leit f ähigkeitstyps dotiert sein .

Beispielsweise kann das Halbleitermaterial InGaN enthalten . Beispielsweise kann ein In-Gehalt des Halbleitermaterials innerhalb der Säulen 108 mit zunehmendem Abstand von der ersten Halbleiterschicht 110 abnehmen . Ein erster Kontaktbereich 112 kann angrenzend an die Kontaktschicht 102 oder an die geordnete photonische Struktur angeordnet und mit dieser verbunden sein . Ein zweiter Kontaktbereich 123 kann angrenzend an die zweite Halbleiterschicht 120 angeordnet sein . Der zweite Kontaktbereich 123 ist mit der zweiten Halbleiterschicht 120 elektrisch verbunden .

Wird eine elektrische Spannung zwischen dem ersten Kontaktbereich 112 und dem zweiten Kontaktbereich 123 angelegt , so fließt Strom durch die aktive Zone 115 , wodurch elektromagnetische Strahlung entsprechend der Bandlücke der aktiven Zone 115 erzeugt wird . Die periodisch angeordneten Säulen 108 bilden eine geordnete photonische Struktur 109 und modi fi zieren gemäß Aus führungs formen die optischen Moden innerhalb der Wellenleiterstruktur, die durch die erste und zweite Halbleiterschicht 110 , 120 und die aktive Zone 115 gebildet wird . Die Modi fi zierung ist beispielsweise derart , dass die Lichterzeugung in lateral geführte Moden unterdrückt wird und die Lichterzeugung in Freistrahl-Moden, d . h . Moden, die ausgekoppelt werden können und sich im Wesentlichen vertikal ausbreiten, erhöht wird . Gemäß weiteren Aus führungs formen wird die Stärke der Lichterzeugung in bestimmte Moden durch die Säulenstruktur 108 nur geringfügig beeinflusst . Allerdings kann in diesem Fall die Säulenstruktur für eine ef fi ziente Lichtauskopplung des erzeugten Lichts sorgen .

Durch die geringe Schichtdicke der aktiven Schicht , die maximal einigen Wellenlängen der emittierten Strahlung entspricht , kann die Anzahl der Moden beschränkt werden . Dadurch wird eine Selektion der Freistrahl-Moden, die mit der aktiven Zone 115 koppeln, ermöglicht . Als Ergebnis wird eine verbesserte Direktionalität im Vergleich mit einem Lambert ’ sehen Strahler ermöglicht . Die beschriebenen Mechanismen können j e nach Auswahl der j eweiligen Schichtdicken auftreten . Beispielsweise können beide Mechanismen auch parallel auftreten .

Das beschriebene optoelektronische Halbleiterbauelement 10 kann beispielsweise eine Micro-LED (pLED) mit einer Kantenlänge kleiner als 10 pm, beispielsweise kleiner als 5 pm sein . Die Kantenlänge kann beispielsweise größer als 1 pm oder 2 pm sein .

Figur 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß weiteren Aus führungs formen . Die einzelnen Komponenten in Figur 3 sind identisch oder ähnlich zu denen, die in Figur 2D gezeigt sind . Abweichend von dem in Figur 2D gezeigten optoelektronischen Halbleiterbauelement ist die Kontaktschicht 102 teilweise entfernt . Der Bereich, aus dem die Kontaktschicht 102 entfernt ist , überlappt mit der aktiven Zone 115 in hori zontaler Richtung . Bei dem gezeigten optoelektronischen Halbleiterbauelement 10 kann eine verbesserte Lichtauskopplung erzielt werden, da keine optischen Verluste durch Absorption in der Kontaktschicht 102 oder durch unbeabsichtigte Einkopplung in den durch eine durchgehende n-Kontaktschicht 102 gebildeten Wellenleiter auftreten können . Wie weiterhin in Figur 3 gezeigt ist , erfolgt hier die Kontaktierung seitlich . Das heißt , das erste Kontaktelement 113 ist in einem Bereich angeordnet , der nur geringfügig mit der aktiven Zone 115 hori zontal überlappt . Entsprechend wird hier möglicherweise ein Serienwiderstand durch eine laterale Stromaufweitung hinzugefügt . Beispielsweise kann das erste Kontaktelement 113 gegenüber dem zweiten Kontaktbereich 123 lateral verschoben sein . Beispielsweise kann das erste Kontaktelement 113 nur geringfügig oder gar nicht mit dem zweiten Kontaktbereich hori zontal überlappen .

Figur 4 zeigt eine Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß weiteren Aus führungs formen . Das in Figur 4 dargestellte optoelektronische Halbleiterbauelement ist ähnlich zu dem in Figur 3 dargestellten . Abweichend von dem in Figur 3 dargestellten optoelektronischen Halbleiterbauelement grenzt das erste Kontaktelement 113 direkt an die erste Halbleiterschicht 110 an . Das heißt , im Bereich des ersten Kontaktelements 113 sind die Säulen 108 komplett entfernt . Wenn diese Variante verwendet wird, kann beispielsweise bei dem in Figur 1A beschriebenen Verfahren auf die Halbleiter-Kontaktschicht 102 vom ersten Leit f ähigkeitstyp verzichtet werden . Beispielsweise kann in diesem Fall die erste Halbleiterschicht 110 hoch dotiert werden, um hier eine Kontaktierung über das erste Kontaktelement 113 zu erreichen . Weiterhin können die Säulen 108 nicht oder nur geringfügig dotiert sein . Beispielsweise weisen undotierte Schichten eine höhere Absorption von Licht auf als dotierte . Entsprechend können die optischen Eigenschaften bei Verwendung undotierter Säulen 108 verbessert werden .

Figur 5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß weiteren Ausführungs formen . Komponenten des in Figur 5 gezeigten optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 sind identisch oder ähnlich zu dem des in Figur 4 gezeigten optoelektronischen Halbleiterbauelements . Abweichend ist hier eine sogenannte Bragg-Spiegel-Struktur innerhalb der Säulen 108 verwirklicht . Die in Figur 5 gezeigte Aus führung der Säulen 108 mit einer Bragg-Spiegel-Struktur kann auch bei allen anderen Aus führungs formen verwirklicht werden . Beispielsweise können die Säulen 108 erste und zweite Schichtbereiche 103 , 104 aufweisen . Ein Brechungsindex in einem ersten Schichtbereich 103 kann von einem Brechungsindex im zweiten Schichtbereich 104 verschieden sein . Weiterhin kann der erste Schichtbereich 103 und der zweite Schichtbereich 104 periodisch angeordnet sein . Eine Periode p, innerhalb der sich der Brechungsindex periodisch ändert , kann folgende Beziehung erfüllen :

0 , 4 * X <p <0 , 6 * X, wobei X der Wellenlänge innerhalb des dotierten Halbleitermaterials entspricht .

Die periodische Veränderung des Brechungsindex kann beispielsweise durch Änderung der Konzentration der Bestandteile der j eweiligen Halbleiterschichten hervorgerufen werden . Beispielsweise kann bei der Herstellung einer InGaN-Schicht zusätzlich Aluminium mit einem variablen Anteil hinzugefügt werden . Auf diese Weise sind Änderungen des Brechungsindex erzielbar . Zusätzlich kann eine Variation der Dotierstof fkonzentration verwendet werden . Durch die Bragg-Struktur wird die Wirkung der geordneten pho- tonischen Struktur auf die optischen Moden verstärkt . Als Ergebnis kann die Lichtauskopplung gesteigert werden, wodurch eine weitere Verbesserung der Direktionalität verursacht werden kann . Eine Kombination der in Figur 5 gezeigten Aus führungs formen der Säulen 108 mit einer Bragg-Spiegel-Struktur und der Anordnung des ersten Kontaktelements 113 in direktem Kontakt mit der ersten Halbleiterschicht 110 führt zu einer Verringerung des elektrischen Widerstands zwischen dem ersten Kontaktelement 113 und der ersten Halbleiterschicht 110 im Vergleich zu einer Struktur, bei der das erste Kontaktelement 113 über die Säulen 108 mit der ersten Halbleiterschicht 110 verbunden ist . Bei der in Figur 5 gezeigten Anordnung kann eine Stromführung durch die Säulen 108 vermieden werden . Beispielsweise kann eine elektrische Leitfähigkeit der Säulen durch die Erzeugung der Bragg-Struktur verringert sein . Gemäß weiteren Aus führungs formen können die Säulen 108 undotiert oder nur geringfügig dotiert sein .

Figur 6A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements , bei dem die Säulen 108 aus einem Teil des optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 entfernt sind . Genauer gesagt , können sich die Säulen 108 nur über eine kleinere Fläche als die Fläche der aktiven Zone 115 erstrecken . Entsprechend ist eine laterale Ausdehnung des Bereichs der Säulen 108 kleiner als die laterale Ausdehnung der aktiven Zone 115 . Weiterhin ist das erste Kontaktelement 113 in einem Randbereich des optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 angeordnet . Beispielsweise überlappt das erste Kontaktelement 113 nur zu geringem Maße mit der aktiven Zone 115 . Die elektromagnetische Strahlung, die in der aktiven Zone in diesen Bereichen erzeugt wird, wird zu einem großen Teil in dem von der aktiven Zone und den umgebenden Schichten gebildeten Wellenleiter geführt und nur zu einem geringen Teil in diesem Bereich ausgekoppelt . Die geordnete photonische Struktur 109 verbleibt nur in einem Teilbereich der lateralen Fläche der aktiven Zone 115 . Der größte Teil der Lichtauskopplung erfolgt im Bereich der geordneten photonischen Struktur 109 . Damit kann die Emission von elektromagnetischer Strahlung aus dem optoelektronischen Halbleiterbauelement auf eine sehr kleine Fläche , beispielsweise auf weniger als 2 , 3 oder 5 pm, konzentriert werden . Die emittierte elektromagnetische Strahlung kann beispielsweise besser durch eine zusätzliche Optik, beispielsweise Mikrolinsen kollimiert werden . Beispielsweise können hier die Säulen 108 dotiert , undotiert oder nur geringfügig dotiert sein .

Figur 6B zeigt eine Draufsicht auf das optoelektronische Halbleiterbauelement . Wie zu sehen ist , nimmt der Bereich, in dem die geordnete photonische Struktur 109 angeordnet ist , nur einen kleinen Bereich ein . Die aktive Zone 115 hat eine größere laterale Ausdehnung als die geordnete photonische Struktur 109 .

Figur 6C zeigt eine Anordnung von optoelektronischen Halbleiterbauelementen 10 über einem gemeinsamen Trägersubstrat 130 . Die optoelektronischen Halbleiterbauelemente 10 können wie in den Figuren 6A oder 6B dargestellt ausgeführt sein . Figur 6C zeigt weiterhin Mikrolinsen 133 zur Erzeugung von kollimierter oder weitgehend kollimierter Lichtabstrahlung . Die ausgestrahlte elektromagnetische Strahlung 20 hat einen sehr kleinen Strahlquerschnitt . Derartig kleine Strahlquerschnitte sind beispielsweise für die Anwendung in AR/VR ( „Augmented Reality, Virtual Reality" ) geeignet . Gemäß weiteren Aus führungs formen kann auch das in den Figuren 2D, 3 , 4 und 5 gezeigte optoelektronische Halbleiterbauelement 10 in der in Figur 6C gezeigten Anordnung verwendet werden .

Figur 7 zeigt eine elektronische Vorrichtung gemäß Aus führungs formen . Die elektronische Vorrichtung 30 weist eine oder mehrere optoelektronische Halbleiterbauelemente 10 wie vorstehend beschrieben auf . Beispielsweise kann die elektronische Vorrichtung eine Anordnung beziehungsweise ein Array aus optoelektronischen Halbleiterbauelementen 10 aufweisen . Beispielsweise können die optoelektronischen Halbleiterbauelemente 10 als Micro-LEDs verwirklicht sein . Die elektronische Vorrichtung 30 kann beispielsweise eine AR/VR-Vorrichtung oder ein Display sein .

Figur 8 fasst ein Verfahren gemäß Aus führungs formen zusammen . Ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements umfasst ein Strukturieren ( S 100 ) eines Maskierungsmaterials über einem Wachstumssubstrat , so dass ein Muster von freiliegenden Oberflächenbereichen erzeugt wird und ein epitaktisches Aufwachsen ( S 110 ) eines ersten Halbleitermaterials über den freiliegenden Oberflächenbereichen, wobei in einem Bereich, der dem Wachstumssubstrat zugewandt ist , Säulen ausgebildet werden, und in einem Bereich, der vom Wachstumssubstrat abgewandt wird, eine zusammenhängende erste Halbleiterschicht eines ersten Leit f ähigkeitstyps ausgebildet wird . Das Verfahren umfasst weiterhin ein Ausbilden ( S 120 ) einer aktiven Zone über der ersten Halbleiterschicht und den Säulen, wobei die aktive Zone geeignet ist , elektromagnetische Strahlung zu emittieren oder zu absorbieren, und ein epitaktisches Aufwachsen ( S 130 ) einer zweiten Halbleiterschicht eines zweiten Leit f ähigkeitstyps über der aktiven Zone . Dabei erfüllt ein Modalwert M ( d) eines Abstands d zwischen Mittelpunkten der freiliegenden Bereiche folgende Bedingung : d d 1 . 5 * , wobei X die mittlere Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung im ersten Halbleitermaterial bezeichnet .

Durch das beschriebene Herstellungsverfahren lässt sich ein optoelektronisches Halbleiterbauelement mit verbesserter Lichtausbeute und verbesserter Direktionalität der Lichtabstrahlung erzielen . Bei einer Anordnung des optoelektronischen Halbleiterbauelements in einer Pixelanordnung wird Übersprechen zu benachbarten Pixeln reduziert . Weiterhin wird die Lichtauskoppel fläche eingegrenzt . Genauer gesagt , wird beispielsweise bei der in Figur 6A oder 6B gezeigten Aus führung eine Leuchtfläche pro Pixel reduziert . Als Ergebnis die emittierte elektromagnetische Strahlung besser durch eine zusätzliche Optik, beispielsweise Mikrolinsen kollimiert werden .

Obwohl hierin spezi fische Aus führungs formen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezi fischen Aus führungs formen durch eine Viel zahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen . Die Anmeldung sol l j egliche Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezi fischen Aus führungsformen abdecken . Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt .

BEZUGSZEICHENLISTE optoelektronisches Halbleiterbauelement emittierte elektromagnetische Strahlung elektronische Vorrichtung Wachstumssubstrat Halbleiter-Kontaktschicht vom ersten Leit f ähigkeitstyp erster Schichtbereich der Säule zweiter Schichtbereich der Säule strukturiertes Maskierungsmaterial freiliegender Oberflächenbereich Defekt Säule geordnete photonische Struktur erste Halbleiterschicht erste Hauptoberfläche der ersten Halbleiterschicht erster Kontaktbereich erstes Kontaktelement I solationsschicht aktive Zone Werkstück zweite Halbleiterschicht zweite Hauptoberfläche der ersten Halbleiterschicht Mesastruktur zweiter Kontaktbereich I solationsschicht Spiegelschicht Lotmaterial Trägersubstrat Linse