EPITAKTISCHES KONVERSIONSELEMENT, STRAHLUNGSEMITTIERENDER

HALBLEITERCHIP UND DEREN VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG

Es werden ein epitaktisches Konversionselement, ein Verfahren zur Herstellung des epitaktischen Konversionselements, ein strahlungsemittierender Halbleiterchip und ein Verfahren zur Herstellung des strahlungsemittierenden Halbleiterchips angegeben .

Epitaktische Konversionselemente und strahlungsemittierende Halbleiterchips sind beispielsweise in der Druckschrift EP 2193550 Bl beschrieben.

Es soll ein Konversionselement angegeben werden, das dazu geeignet ist, elektromagnetische Strahlung mit einem

vergleichsweise schmalen Anregungsspektrum in ein breiteres Emissionsspektrum umzuwandeln. Außerdem soll ein

strahlungsemittierender Halbleiterchip mit einem derartigen Konversionselement und ein Verfahren zu dessen Herstellung angegeben werden. Schließlich soll ein Verfahren zur

Herstellung des strahlungsemittierenden Halbleiterchips bereitgestellt werden.

Diese Aufgaben werden durch ein epitaktisches

Konversionselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Verfahren mit den Schritten des Patentanspruchs 10, durch einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 und durch ein Verfahren mit den Schritten des Patentanspruchs 17 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des epitaktischen Konversionselements, des

strahlungsemittierenden Halbleiterchips und der beiden

Verfahren sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Gemäß einer Ausführungsform des epitaktischen

Konversionselements wandelt das epitaktische

Konversionselement elektromagnetische Strahlung eines

Anregungsspektrums in elektromagnetische Strahlung eines Emissionsspektrums um.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des epitaktischen

Konversionselements umfasst das epitaktische

Konversionselement eine Vielzahl an epitaktischen

Konversionsschichten. Die epitaktischen Konversionsschichten sind bevorzugt epitaktisch gewachsen und entlang einer Stapelrichtung aufeinander gestapelt. Besonders bevorzugt stehen die epitaktischen Konversionsschichten jeweils in direktem Kontakt miteinander.

Die epitaktischen Konversionsschichten weisen bevorzugt jeweils ein Halbleitermaterial mit einer Bandlücke zwischen einem Valenzband und einem Leitungsband auf. Die

wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften der epitaktischen Konversionsschichten gehen vorliegend auf die

photolumineszierenden Eigenschaften des Halbleitermaterials der epitaktischen Konversionsschichten zurück. Das

Halbleitermaterial der epitaktischen Konversionsschichten absorbieren elektromagnetische Strahlung eines

Wellenlängenbereichs, vorliegend aus dem Anregungsspektrum, so dass Zustände im Leitungsband des Halbleitermaterials angeregt werden, die unter Abgabe von elektromagnetischer Strahlung eines weiteren Wellenlängenbereichs, vorliegend aus dem Emissionsspektrum, relaxieren. Der weitere

Wellenlängenbereich umfasst hierbei bevorzugt größere

Wellenlängen als der Wellenlängenbereich, der absorbiert wird .

Gemäß einer Ausführungsform des epitaktischen

Konversionselements wandelt jede epitaktische

Konversionsschicht elektromagnetische Strahlung des

Anregungsspektrums in elektromagnetische Strahlung eines Einzelspektrums um. Das Emissionsspektrum setzt sich

besonders bevorzugt aus den Einzelspektren der epitaktischen Konversionsschichten zusammen. Das Einzelspektrum hängt hierbei von der Bandlücke des Halbleitermaterials der

jeweiligen epitaktischen Konversionsschicht ab. Folglich hängt das Anregungsspektrum von den Bandlücken der

Halbleitermaterialien der epitaktischen Konversionsschichten ab .

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des epitaktischen

Konversionselements ist eine FWHM-Breite (kurz für Englisch „Full Width Half Maximum-Breite") des Emissionsspektrums breiter als eine FWHM-Breite des Anregungsspektrums.

Bei den hier beschriebenen Spektren, wie dem

Emissionsspektrum, dem Anregungsspektrum und den

Einzelspektren, handelt es sich in der Regel jeweils um ein Diagramm, bei dem die spektrale Intensität oder der spektrale Lichtstrom pro Wellenlängenintervall der von einem Element ausgesandten elektromagnetischen Strahlung in Abhängigkeit der Wellenlänge l dargestellt ist. Mit anderen Worten stellt das jeweilige Spektrum eine Kurve dar, bei der auf der x- Achse die Wellenlänge und auf der y-Achse die spektrale Intensität oder der spektrale Lichtstrom aufgetragen ist. Das Spektrum weist bevorzugt ein Maximum bei einer

Peakwellenlänge auf. Der Begriff FWHM-Breite bezieht sich auf eine Kurve mit einem Maximum, wie etwa das Emissionsspektrum, das Anregungsspektrum oder die Einzelspektren, wobei die FWHM-Breite derjenige Bereich auf der x-Achse ist, der zu den beiden y-Werten korrespondiert, die der Hälfte des Maximums entsprechen .

Besonders bevorzugt weist das Anregungsspektrum lediglich ein einziges Maximum bei der Peakwellenlänge auf. Beispielsweise ist das Anregungsspektrum symmetrisch zu dem Maximum

ausgebildet .

Auch das Emissionsspektrum weist besonders bevorzugt

lediglich ein einziges Maximum auf. Auch das

Emissionsspektrum kann symmetrisch zu dem Maximum ausgebildet sein .

Besonders bevorzugt unterscheiden sich die Einzelspektren der epitaktischen Konversionsschichten jeweils voneinander. Auch jedes Einzelspektrum weist besonders bevorzugt lediglich ein einziges Maximum bei der Peakwellenlänge auf. Auch die

Einzelspektren können jeweils symmetrisch zu ihrem Maximum ausgebildet sein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des epitaktischen

Konversionselements sind die epitaktischen

Konversionsschichten jeweils verschieden voneinander

ausgebildet. Besonders bevorzugt unterscheiden sich die

Einzelspektren der epitaktischen Konversionsschichten jeweils voneinander. Sind die epitaktischen Konversionsschichten jeweils verschieden voneinander ausgebildet, so unterscheiden sich in Regel auch deren Einzelspektren voneinander.

Beispielsweise basieren die epitaktischen

Konversionsschichten auf demselben Materialsystem oder bestehen aus Materialien desselben Materialsystems, wobei die Materialien aber eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen. Beispielsweise handelt es sich bei dem

Materialsystem um ein III-V-Halbleitermaterialsystem, wie etwa ein Nitridverbindungshalbleitermaterialsystem, ein

ArsenidverbindungshalbleitermaterialSystem, ein

Phosphidverbindungshalbleitermaterialsystem oder ein

AntimonidverbindungshalbleitermaterialSystem.

Das Nitridverbindungshalbleitermaterialsystem umfasst

Nitridverbindungshalbleitermaterialien .

Nitridverbindungshalbleitermaterialien sind

Verbindungshalbleitermaterialien, die Stickstoff enthalten, wie die Materialien aus dem System In _x Al _y Gai- _x-y N mit 0 < x <

1, 0 < y < 1 und x+y < 1.

Ein epitaktisches Konversionselement, das auf einem

Nitridverbindungshalbleitermaterial basiert, ist

beispielsweise dazu geeignet, elektromagnetische Strahlung eines Anregungsspektrums aus dem ultravioletten

Spektralbereich in ein breiteres, blaues Emissionsspektrum umzuwandeln .

Das Arsenidverbindungshalbleitermaterialsystem umfasst

Arsenidverbindungshalbleitermaterialien .

Arsenidverbindungshalbleitermaterialien sind

Verbindungshalbleitermaterialien, die Arsen enthalten, wie die Materialien aus dem System In _x Al _y Gai- _x-y As mit 0 < x < 1, 0

< y < 1 und x+y < 1.

Ein epitaktisches Konversionselement, das auf einem

Arsenidverbindungshalbleitermaterial basiert, ist

beispielsweise dazu geeignet, elektromagnetische Strahlung eines Anregungsspektrums aus dem roten Spektralbereich in ein breiteres, infrarotes Emissionsspektrum umzuwandeln, das elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen bis zu 2

Mikrometer umfasst. Die epitaktischen Konversionsschichten eines solchen epitaktischen Konversionselements weisen beispielsweise InGaAs/GaAs auf.

Das Phosphidverbindungshalbleitermaterialsystem umfasst Phosphidverbindungshalbleitermaterialien .

Phosphidverbindungshalbleitermaterialien sind

Verbindungshalbleitermaterialien, die Phosphor enthalten, wie die Materialien aus dem System In _x Al _y Gai- _x-y P mit 0 < x < 1, 0

< y < 1 und x+y < 1.

Ein epitaktisches Konversionselement, das auf einem

Phosphidverbindungshalbleitermaterial basiert, ist

beispielsweise dazu geeignet, elektromagnetische Strahlung eines Anregungsspektrums aus dem blauen Spektralbereich in ein breiteres, grün-rotes Emissionsspektrum umzuwandeln.

Das Antimonverbindungshalbleitermaterialsystem umfasst

Antimonidverbindungshalbleitermaterialien .

Antimonidverbindungshalbleitermaterialien sind

Verbindungshalbleitermaterialien, die Antimon enthalten, wie die Materialien aus dem System In _x Al _y Gai- _x-y Sb mit 0 < x < 1, 0

< y < 1 und x+y < 1. Ein epitaktisches Konversionselement, das auf einem

Antimonidverbindungshalbleitermaterial basiert, ist

beispielsweise dazu geeignet, elektromagnetische Strahlung eines Anregungsspektrums aus dem roten Spektralbereich in ein breiteres, langwelliges infrarotes Emissionsspektrum

umzuwandeln, das elektromagnetische Strahlung mit

Wellenlängen von mindestens 2 Mikrometer aufweist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das epitaktische Konversionselement epitaktische Konversionsschichten, die jeweils unterschiedliche Dicken aufweisen. Auch so können epitaktische Konversionsschichten mit unterschiedlichen

Einzelspektren erzielt werden. Die unterschiedlichen Dicken der epitaktischen Konversionsschichten sind bevorzugt derart gewählt, dass eine gewünschte Form des Emissionsspektrums erzielt wird. Beispielsweise weist eine einzelne epitaktische Konversionsschicht eine Dicke zwischen einschließlich 5 Nanometer und einschließlich 1000 Nanometer auf.

Die photolumineszierenden Eigenschaften der epitaktischen Konversionsschichten können mit einem vereinfachten Modell abgeschätzt werden. Die Anzahl der von einer epitaktischen Konversionsschicht ausgesandten Photonen und damit die

Absorption von elektromagnetischer Strahlung hängt von der internen Quanteneffizienz IQE und dem

Absorptionskoeffizienten der epitaktischen Konversionsschicht ab. Die Absorption von elektromagnetischer Strahlung einer einzelnen epitaktischen Konversionsschicht ist proportional zu exp(- _m d _m) , wobei _m der Absorptionskoeffizient der

epitaktischen Konversionsschicht und d _m die Dicke der

epitaktischen Konversionsschicht ist. Weitere Randbedingungen für das Emissionsspektrums sind dessen gewünschte Form und dessen FWHM-Breite. Die FWHM-Breite des Einzelspektrums hängt von der Temperatur und der Intensität des Anregungsspektrums ab .

Die Form des Emissionsspektrums kann durch Einstellen der Dicke und der Bandlücken der epitaktischen

Konversionsschichten eingestellt werden, wobei die Bandlücken der epitaktischen Konversionsschichten insbesondere von deren Materialzusammensetzung abhängt.

Die FWHM-Breite des Emissionsspektrums wird insbesondere durch die Gesamtanzahl der epitaktischen Konversionsschichten beeinflusst. Im einfachsten Fall senden alle epitaktischen Konversionsschichten Einzelspektren der gleichen Intensität aus, so dass ein gleichförmiges Emissionsspektrum erzeugt wird. Die maximal ausgesandte spektrale Leistungsdichte des Emissionsspektrums ist begrenzt auf die spektrale

Leistungsdichte des Anregungsspektrums geteilt durch die Gesamtanzahl an Konversionsschichten N. Die Dicke der m-ten epitaktischen Konversionsschicht d _m im Grenzfall IQE = 1 ist gegeben durch: d _m = (l/a _m ) *ln { (N-m+1) / (N-m) } .

Jedes Einzelspektrum weist ebenfalls eine FWHM-Breite dE auf, die von der Temperatur T und von der Leistungsdichte des Anregungsspektrums abhängt. Beispielsweise ist die FWHM- Breite 5E _m jedes Einzelspektrums proportional zur 5E _m = ßk _B T, wobei der Koeffizient ß ein Maß für die Verbreiterung des Einzelspektrums und k _B die Bolztmann-Konstante ist.

Typischerweise liegt der Wert des Koeffizienten ß zwischen 1 und 2. Die FWHM-Breite dE eines Einzelspektrums liegt beispielsweise zwischen einschließlich 20 Nanometer und einschließlich 50 Nanometer.

Aus der FWHM-Breite 5E _m = ßk _B T für das m-te Einzelspektrum ergibt sich für eine Gesamtanzahl N epitaktischer

Konversionsschichten eine absolute FWHM-Breite des

Emissionsspektrums von DE = Nßk _B T.

Unter Annahme der oben genannten Näherungen ergibt sich eine minimale Dicke der epitaktischen Konversionsschicht aus der Quantisierungsbedingung, das heißt wenn die Dicke der epitaktischen Konversionsschicht unter einen gewissen

Grenzwert gesenkt wird, reduziert sich der Abstand zwischen zwei direkt benachbarten Einzelspektren. Die Bedingung für die minimale Dicke d _min einer einzelnen epitaktischen

Konversionsschicht ergibt sich zu: d _min ^ {h ² /m _eff 5E _m } ^1/2 , wobei h das Planck 'sehe Wirkungsquantum und m _eff die effektive

Elektronenmasse des Halbleitermaterials der epitaktischen Konversionsschicht ist. Aus dieser Bedingung ergibt sich eine Obergrenze für die Anzahl der epitaktischen

Konversionsschichten in dem epitaktischen Konversionselement N _max wie folgt: N _max < 1/ { 1-exp (- d _min ) } . Hierbei ist der Absorptionskoeffizient der dünnsten epitaktischen

Konversionsschicht des epitaktischen Konversionselements.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des epitaktischen

Konversionselements nehmen die Dicken der epitaktischen

Konversionsschichten von einer Strahlungseintrittsfläche des epitaktischen Konversionselements zu einer

Strahlungsaustrittsfläche des epitaktischen

Konversionselements kontinuierlich zu. Bevorzugt weisen die einzelnen epitaktischen

Konversionsschichten leicht unterschiedliche Bandlücken auf. Gemäß einer Ausführungsform des epitaktischen

Konversionselements nehmen die Bandlücken der epitaktischen Konversionsschichten von der Strahlungseintrittsfläche des Konversionselements zu der Strahlungsaustrittsfläche des Konversionselements kontinuierlich zu.

Gemäß einer Ausführungsform sind die Einzelspektren der

Konversionsschichten teilweise überlappend ausgebildet.

Besonders bevorzugt sind die Einzelspektren der epitaktischen Konversionsschichten teilweise überlappend und teilweise distinkt voneinander ausgebildet. Beispielsweise überlappen zwei direkt benachbarte Einzelspektren jeweils in einem bestimmten Bereich während sie in einem weiteren Bereich jeweils distinkt voneinander sind. Beispielsweise ergibt sich der Abstand Dl zwischen zwei Maxima direkt benachbarter

Einzelspektren mit einer FWHM-Breite dE ungefähr zu 1,24/dE.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des epitaktischen

Konversionselements umfasst dieses eine Vielzahl an

Barriereschichten. Besonders bevorzugt ist zwischen zwei epitaktischen Konversionsschichten jeweils eine

Barriereschicht angeordnet. Die Barriereschichten sind besonders bevorzugt dazu vorgesehen, elektrische

Ladungsträger, wie Elektronen und Löcher, innerhalb der angrenzenden epitaktischen Konversionsschicht einzuschließen.

Besonders bevorzugt stehen die beiden Barriereschichten in direktem Kontakt mit der angrenzenden epitaktischen

Konversionsschicht. Die Barriereschichten sind bevorzugt epitaktisch gewachsen. Die Barriereschichten basieren

bevorzugt auf dem gleichen Materialsystem wie die epitaktischen Konversionsschichten. Beispielsweise weisen die Barriereschichten eine Dicke auf, die zwischen einschließlich 5 Nanometer und einschließlich 2 Mikrometer liegt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des epitaktischen

Konversionselements weist dieses eine Deckschicht auf.

Beispielsweise ist die Strahlungsaustrittsfläche des

Konversionselements durch die Deckschicht gebildet. Die

Deckschicht ist besonders bevorzugt transparent für

elektromagnetische Strahlung des Anregungsspektrums und/oder des Emissionsspektrums. „Transparent" bedeutet hierbei besonders bevorzugt, dass die Deckschicht mindestens 80 %, bevorzugt mindestens 85 % und besonders bevorzugt mindestens 90 % der jeweiligen elektromagnetischen Strahlung

transmittiert .

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des epitaktischen

Konversionselements weist die Deckschicht eine aufgeraute Oberfläche auf. Die Oberfläche der Deckschicht kann weiterhin auch strukturiert sein. Die Aufrauhung oder die

Strukturierung der Deckschicht dient zur besseren

Lichtauskopplung aus dem epitaktischen Konversionselement. Beispielsweise weist die Deckschicht eine Dicke zwischen einschließlich 500 Nanometer und einschließlich 2 Mikrometer auf .

Die Deckschicht weist beispielsweise ein Oxid, wie

Siliziumdioxid, auf oder ist aus einem derartigen Material gebildet. Eine Deckschicht, die Siliziumdioxid aufweist, kann mit einer epitaktischen Halbleiterschichtenfolge

beispielsweise durch Bonden mechanisch stabil verbunden sein. Das epitaktische Konversionselement kann insbesondere mit dem im Folgenden beschriebenen Verfahren hergestellt werden.

Merkmale und Ausführungen, die vorliegend lediglich in

Verbindung mit dem epitaktischen Konversionselement

beschrieben sind, können auch bei dem Verfahren ausgebildet sein und umgekehrt.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird ein

Wachstumssubstrat bereitgestellt. Auf dem Wachstumssubstrat werden die epitaktischen Konversionsschichten des

epitaktischen Konversionselements epitaktisch abgeschieden.

Besonders bevorzugt werden sämtliche epitaktischen

Konversionsschichten auf einem gemeinsamen Wachstumssubstrat epitaktisch gewachsen, bevorzugt gitterangepasst .

Beispielsweise kann ein epitaktisches Konversionselement basierend auf einem Phosphidverbindungshalbleitermaterial , das elektromagnetische Strahlung eines blauen

Anregungsspektrums in ein breiteres grün-rotes

Emissionsspektrum umwandelt, auf einem GaAs-Substrat

epitaktisch gewachsen werden.

Weiterhin kann ein epitaktisches Konversionselement basierend auf einem Arsenidverbindungshalbleitermaterial , das

elektromagnetische Strahlung eines roten Anregungsspektrums in ein breiteres infrarotes Emissionsspektrum mit

Wellenlängen bis zu 1,1 Mikrometer umwandelt, auf einem GaAs- Substrat epitaktisch gewachsen werden. Die epitaktischen Konversionsschichten sind hierbei bevorzugt pseudomorph gewachsen und weisen beispielsweise InGaAs/GaAs auf. Um ein epitaktisches Konversionselement zu erzielen, das elektromagnetische Strahlung eines roten Anregungsspektrums in ein breiteres infrarotes Emissionsspektrum mit

Wellenlängen zwischen einschließlich 1 Mikrometer und einschließlich 2 Mikrometer umwandelt, können beispielsweise epitaktische Konversionsschichten, die alternierend

AlInGaAs/InP aufweisen, auf einem InP-Substrat epitaktisch gewachsen werden.

Ein epitaktisches Konversionselement basierend auf einem Antimonidverbindungshalbleitermaterial , das

elektromagnetische Strahlung eines roten Anregungsspektrums in ein breiteres infrarotes Emissionsspektrum mit

Wellenlängen von mindestens 2 Mikrometer umwandelt, kann beispielsweise auf einem GaSb-Substrat epitaktisch gewachsen werden .

Das hier beschriebene epitaktische Konversionselement ist insbesondere dazu geeignet, in einem strahlungsemittierenden Halbleiterchip verwendet zu werden. Merkmale und

Ausgestaltungen, die vorliegend nur in Verbindung mit dem epitaktischen Konversionselement beschrieben sind, können auch bei dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip

ausgebildet sein und umgekehrt.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst der

strahlungsemittierende Halbleiterchip das hier beschriebene epitaktische Konversionselement.

Weiterhin umfasst der strahlungsemittierende Halbleiterchip bevorzugt eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone. Die aktive Zone ist dazu geeignet, elektromagnetische Strahlung eines ersten Spektrums auszusenden, das zumindest teilweise mit dem

Anregungsspektrum übereinstimmt. Das epitaktische

Konversionselement wandelt bevorzugt elektromagnetische

Strahlung der aktiven Zone zumindest teilweise in Strahlung des Emissionsspektrums um. Besonders bevorzugt wandelt das epitaktische Konversionselement elektromagnetische Strahlung der aktiven Zone vollständig in Strahlung des

Emissionsspektrums um.

Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge und das

epitaktische Konversionselement können beispielsweise

gemeinsam auf einem Wachstumssubstrat epitaktisch gewachsen sein. Mit anderen Worten können die epitaktische

Halbleiterschichtenfolge und das epitaktische

Konversionselement monolithisch miteinander ausgebildet sein. In diesem Fall ist der strahlungsemittierende Halbleiterchip insbesondere frei von einer Verbindungsschicht, die die epitaktische Halbleiterschichtenfolge und das epitaktische Konversionselement mechanisch stabil miteinander verbindet.

Alternativ ist es auch möglich, dass die epitaktischen

Halbleiterschichtenfolge und das epitaktische

Konversionselement getrennt voneinander auf unterschiedlichen Wachstumssubstraten epitaktisch gewachsen sind. In diesem Fall umfasst der strahlungsemittierende Halbleiterchip bevorzugt eine Verbindungsschicht, die die epitaktische

Halbleiterschichtenfolge und das epitaktische

Konversionselement mechanisch stabil miteinander verbindet. Die Verbindungsschicht ist besonders bevorzugt transparent für die elektromagnetische Strahlung der epitaktischen

Halbleiterschichtenfolge sowie die elektromagnetische

Strahlung des epitaktischen Konversionselements ausgebildet. Beispielsweise handelt es sich bei der Verbindungsschicht um eine KlebstoffSchicht .

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die epitaktische Halbleiterschichtenfolge auf einem Träger angeordnet. Der Träger ist insbesondere dazu vorgesehen, die epitaktische Halbleiterschichtenfolge mechanisch zu stabilisieren. Hierbei ist der Träger besonders bevorzugt verschieden von dem

Wachstumssubstrat der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge. Besonders bevorzugt ist zwischen dem Träger und der

epitaktischen Halbleiterschichtenfolge eine spiegelnde

Schicht angeordnet, die insbesondere dazu geeignet ist,

Strahlung der aktiven Zone zu einer Strahlungsaustrittsfläche des strahlungsemittierenden Halbleiterchips zu lenken.

Das epitaktische Konversionselement und/oder der

strahlungsemittierende Halbleiterchip können beispielsweise als Lichtquelle in einem miniaturisierten optischen Gassensor dienen .

Gemäß einer weiteren Ausführungsform beruht die epitaktische Halbleiterschichtenfolge auf einem

Phosphidverbindungshalbleitermaterial und das erste Spektrum umfasst rotes Licht. Das epitaktische Konversionselement beruht bei dieser Ausführungsform des strahlungsemittierenden Halbleiterchips besonders bevorzugt auf einem

Arsenidverbindungshalbleitermaterial und wandelt das rote Licht des ersten Spektrums in infrarotes Licht um, besonders bevorzugt vollständig. Ein derartiger Halbleiterchip kann insbesondere mit Vorteil als Lichtquelle in einem optischen Gassensor eingesetzt werden. Der strahlungsemittierende Halbleiterchip kann beispielsweise mit dem im Folgenden beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Merkmale und Ausführungen, die vorliegend lediglich in Verbindung mit dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip beschrieben sind, können auch bei dem Verfahren ausgebildet sein und umgekehrt.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterchips wird ein

Wachstumssubstrat bereitgestellt. Auf dem Wachstumssubstrat wird bevorzugt ein epitaktisches Konversionselement

epitaktisch aufgewachsen .

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur

Herstellung des strahlungsemittierenden Halbleiterchips wird eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge auf das

epitaktische Konversionselement aufgebracht.

Beispielsweise kann auch die epitaktische

Halbleiterschichtenfolge epitaktisch auf dem epitaktischen Konversionselement abgeschieden werden. Hierbei wird dasselbe Wachstumssubstrat für das epitaktische Konversionselement und die epitaktische Halbleiterschichtenfolge verwendet.

Alternativ ist es auch möglich, dass die epitaktische

Halbleiterschichtenfolge auf einem weiteren Wachstumssubstrat epitaktisch abgeschieden wird, das von dem Wachstumssubstrat des epitaktischen Konversionselements verschieden ist. Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung des strahlungsemittierenden Halbleiterchips wird die epitaktische Halbleiterschichtenfolge mit dem epitaktischen

Konversionselement mechanisch stabil verbunden, bevorzugt durch eine Verbindungsschicht. Das vorliegende Konversionselement beruht auf der Idee, sich die photolumineszierenden Eigenschaften von epitaktisch gewachsenen Halbleiterschichten zur Wellenlängenkonversion zu Nutze zu machen. Insbesondere soll ein vergleichsweise schmales Anregungsspektrum, wie es etwa von einer Leuchtdiode mit einer aktiven Zone erzeugt wird, in ein breiteres

Emissionsspektrum umzuwandeln. Hierzu umfasst das

epitaktische Konversionselement bevorzugt eine Vielzahl übereinander gestapelter epitaktischer Konversionsschichten, die zueinander verschiedene Emissionseigenschaften und

Konversionseigenschaften aufweisen. Auf diese Art und Weise kann das Emissionsspektrum des epitaktischen

Konversionselements gezielt aus den Einzelspektren der verschiedenen epitaktischen Konversionsschichten

zusammengesetzt werden.

Das vorgeschlagene epitaktische Konversionselement kann insbesondere vergleichsweise kostengünstig, skalierbar und zuverlässig hergestellt werden, sodass eine Lichtquelle mit einem vergleichsweise breiten Emissionsspektrum erzielt werden kann. Unterschiedliche spektrale Bereiche des

Emissionsspektrums können durch die Verwendung verschiedener Halbleiterverbindungsmaterialien und jeweils daran

angepasster Anregungsspektren erzielt werden. Insbesondere können durch Anpassung des Anregungsspektrums an das

epitaktische Konversionselement Stokesverluste reduziert werden, sodass eine effektivere Lichtkonversion erzielt werden kann.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen. Figur 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterchips gemäß einem

Ausführungsbeispiel .

Figur 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch einen Bereich eines epitaktischen Konversionselements gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung der Bandstruktur eines epitaktischen Konversionselements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel .

Anhand der schematischen Schnittdarstellungen der Figuren 4 und 5 wird ein Verfahren zur Herstellung eines

strahlungsemittierenden Halbleiterchips näher beschrieben.

Anhand der schematischen Schnittdarstellungen der Figuren 6 und 7 wird ein Verfahren zur Herstellung eines epitaktischen Konversionselements näher beschrieben.

Figur 8 zeigt simulierte Werte der FWHM-Breite eines

Emissionsspektrums gemäß einem Ausführungsbeispiel auf der rechten vertikalen Achse und simulierte Dicken der

epitaktischen Konversionsschichten gemäß einem

Ausführungsbeispiel auf der linken vertikalen Achse in

Abhängigkeit der Gesamtanzahl N an epitaktischen

Konversionsschichten .

Figur 9 zeigt Simulationsergebnisse eines Emissionsspektrums bei einem vorgegebenen Anregungsspektrum gemäß einem

Ausführungsbeispiel . Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu

betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente, insbesondere Schichtdicken, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.

Der strahlungsemittierende Halbleiterchip gemäß dem

Ausführungsbeispiel der Figur 1 weist ein epitaktisches

Konversionselement 1 auf. Das epitaktische Konversionselement 1 wandelt eine elektromagnetische Strahlung eines

Anregungsspektrums 2 in elektromagnetische Strahlung eines Emissionsspektrums 3 um, bevorzugt vollständig. Besonders bevorzugt ist eine FWHM-Breite DE = N*dE des

Emissionsspektrums breiter als eine FWHM-Breite dE des

Anregungsspektrums 2. Hierbei bezeichnet N die Gesamtanzahl der epitaktischen Konversionsschichten 4.

Das epitaktische Konversionselement 1 umfasst eine Vielzahl epitaktischer Konversionsschichten 4. Jede epitaktische

Konversionsschicht 4 wandelt elektromagnetische Strahlung des Anregungsspektrums 2 in elektromagnetische Strahlung eines Einzelspektrums 5 um. Die Einzelspektren 5 unterscheiden sich hierbei vorliegend jeweils voneinander. Das Emissionsspektrum 3 setzt sich aus den Einzelspektren 5 der epitaktischen

Konversionsschichten 4 zusammen.

Weiterhin umfasst das epitaktische Konversionselement 1 eine Deckschicht 6, die für elektromagnetische Strahlung des

Emissionsspektrums 3 und gegebenenfalls für

elektromagnetische Strahlung des Anregungsspektrums 2

transparent ist. Die Deckschicht 6 weist eine Strukturierung 7 auf, die die Auskopplung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere zumindest des Emissionsspektrums 3, aus dem epitaktischen Konversionselement 1 mit Vorteil verbessert.

Das epitaktische Konversionselement 1 ist mit einer

Verbindungsschicht 8, etwa einer KlebstoffSchicht, mit einer epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 9 mechanisch stabil verbunden .

Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 9 umfasst eine aktive Zone 10, die im Betrieb elektromagnetische Strahlung eines ersten Spektrums aussendet, das zumindest teilweise mit dem Anregungsspektrum 2 des epitaktischen Konversionselements 1 übereinstimmt. Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 9 ist auf einem Träger 11 angeordnet. Zwischen dem Träger 11 und der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 9 ist eine spiegelnde Schicht 12 angeordnet, die dazu geeignet ist, elektromagnetische Strahlung der aktiven Zone 10 zu einer Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips zu lenken.

Ein Ausführungsbeispiel des epitaktischen Konversionselements 1 wird anhand der Figur 2 näher erläutert, wobei Figur 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur einen Ausschnitt darstellt. Das epitaktische Konversionselement 1 weist mehrere

epitaktische Konversionsschichten 4 auf, von denen vorliegend drei dargestellt sind. Die Dicken und Bandlücken der

epitaktischen Konversionsschichten 4 nehmen bei dem

epitaktischen Konversionselement 1 gemäß dem

Ausführungsbeispiel der Figur 2 von einer

Strahlungseintrittsfläche 13 des epitaktischen

Konversionselements 1 zu einer Strahlungsaustrittsfläche 14 des epitaktischen Konversionselements 1 kontinuierlich zu. Daher unterscheiden sich die Einzelspektren 5 der von den epitaktischen Konversionsschichten 4 ausgesandten elektromagnetischen Strahlung jeweils voneinander.

Die epitaktischen Konversionsschichten 4 gemäß der Figur 2 weisen weiterhin zumindest zwei Barriereschichten 15 auf, zwischen denen eine der epitaktischen Konversionsschichten 4 angeordnet ist. Die Barriereschichten 15 stehen hierbei in direktem Kontakt mit der epitaktischen Konversionsschicht 4 und konzentrieren elektrische Ladungsträger, wie Elektronen oder Löcher, innerhalb der epitaktischen Konversionsschicht 4.

Ein epitaktisches Konversionselement 1 kann ein Banddiagramm aufweisen, wie es schematisch in Figur 3 dargestellt ist. Das epitaktische Konversionselement 1 weist eine Gesamtanzahl N epitaktischer Konversionsschichten 4 auf. Die epitaktischen Konversionsschichten 4 sind hierbei durchlaufen von m = 1 bis m = N laufend nummeriert.

Eine Emissionsenergie der Einzelspektren 5 der epitaktischen Konversionsschichten 4 nimmt hierbei von der

Strahlungseintrittsfläche 13 des epitaktischen

Konversionselements 1 zur Strahlungsaustrittsfläche 14 des epitaktischen Konversionselements 1 zu. Die FWHM-Breite DE des Emissionsspektrums 3 ist hierbei proportional zu aNk _B T . Die Konstante a hängt hierbei von der Wahl der Bandlücken der epitaktischen Konversionsschichten 4 ab. Mit k _B ist die

Boltzmann-Konstante und mit T die Temperatur angegeben.

Bei dem Verfahren zur Herstellung eines

strahlungsemittierenden Halbleiterchips gemäß dem

Ausführungsbeispiel der Figuren 4 und 5 wird ein

Wachstumssubstrat 16 für die epitaktischen Konversionsschichten 4 des epitaktischen Konversionselements 1 bereitgestellt. Auf dem Wachstumssubstrat 16 wird eine transparente Deckschicht 6 aufgebracht, auf der wiederum die epitaktischen Konversionsschichten 4 des epitaktischen

Konversionselements 1 angeordnet werden.

Auf den epitaktischen Konversionsschichten 4 wird eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge 9 angeordnet. Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 9 umfasst eine

epitaktisch gewachsene elektrische n-Kontaktschicht 17, die beispielsweise n-InGaAlP aufweist oder aus diesem Material besteht. Auf der n-Kontaktschicht 17 ist eine n- Stromaufweitungsschicht 18 angeordnet. Auf der n- Stromaufweitungsschicht 18 ist weiterhin eine aktive Zone 10 angeordnet, die dazu geeignet ist, elektromagnetische

Strahlung eines ersten Spektrums zu erzeugen. Das erste Spektrum weist vorliegend rotes Licht auf oder besteht aus rotem Licht. Auf der aktiven Zone 10 ist schließlich eine p- Stromaufweitungsschicht 19 aufgebracht (Figur 4).

Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 9 basiert

vorliegend auf einem Phosphidverbindungshalbleitermaterial , wie beispielsweise InGaAlP.

In einem nächsten Schritt wird auf die freiliegende

Hauptfläche der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 9 ein Träger 22 aufgebracht und das Wachstumssubstrat 16 entfernt, beispielsweise durch Ätzen. Die Deckschicht 6 des

epitaktischen Konversionselements 1 dient hierbei als

Ätzstoppschicht und bildet bei dem fertigen

strahlungsemittierenden Halbleiterchip dessen

Strahlungsaustrittsfläche aus (Figur 5) . Bei dem Verfahren zur Herstellung eines epitaktischen

Konversionselements 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der

Figuren 6 und 7 wird in einem ersten Schritt ein

Wachstumssubstrat 16 für die epitaktischen

Konversionsschichten 4 bereitgestellt (Figur 6) . Bei dem Wachstumssubstrat 16 kann es sich beispielsweise um ein GaAs- Substrat handeln.

In einem nächsten Schritt werden, wie in Figur 7 schematisch dargestellt, die epitaktischen Konversionsschichten 4 und die Barriereschichten 15 epitaktisch auf dem Wachstumssubstrat 16 abgeschieden. Die epitaktischen Konversionsschichten 4 des epitaktischen Konversionselements 1 können beispielsweise auf einem Phosphidverbindungshalbleitermaterial basieren. Ein derartiges epitaktisches Konversionselement 1 ist dazu geeignet, elektromagnetische Strahlung eines

Anregungsspektrum 2 aus dem blauen Spektralbereich zumindest teilweise in ein grün-rotes Emissionsspektrum 3 umzuwandeln.

Weiterhin ist es auch möglich, dass die epitaktischen

Konversionsschichten 4 AlGalnAs/GaAs umfassen. Ein derartiges epitaktisches Konversionselement 1 ist dazu geeignet, ein Emissionsspektrum 3 mit Wellenlängen bis zu 1,1 Mikrometer zu erzeugen. Das epitaktische Wachstum der epitaktischen

Konversionsschichten 4 findet hierbei besonders bevorzugt pseudomorph oder gitterangepasst statt.

Das Diagramm gemäß der Figur 8 zeigt simulierte Werte der Dicke d _m der m-ten epitaktischen Konversionsschicht 4 in Nanometer (linke y-Achse) in Abhängigkeit der Gesamtanzahl der epitaktischen Konversionsschichten N (x-Achse) gemäß der Formel d _m = (l/a _m ) *ln{ (N-m+1) / (N-m) } . In dieser Näherung ist ein Photonenrecyclingeffekt vernachlässigt. Würde dieser Effekt mit einbezogen, so würde sich die Dicke der epitaktischen Konversionsschichten 4 mit kleineren Bandlücken reduzieren. Dies würde in einer Verringerung der möglichen Gesamtanzahl an epitaktischen Konversionsschichten 4 gemäß N _max < 1/ { 1-exp (-cxd _min ) } resultieren.

Außerdem zeigt das Diagramm der Figur 8 simulierte Werte der FWHM-Breite DE des Emissionsspektrums 3 in

Millielektronenvolt (rechte y-Achse) in Abhängigkeit der Gesamtanzahl N der epitaktischen Konversionsschichten 4 gemäß der Formel DE = ßNk _B T einmal für ß = 1,5 und einmal für ß = 0,5. Die Konstante ß ist hierbei ein Maß für den Abstand der Maxima zweier direkt benachbarter Einzelspektren 5. Der Wert 0,5 für ß sollte hierbei zu einem einheitlicheren

Emissionsspektrum 3 führen. Die rechte y-Achse ist hierbei auf 500 Millielektronenvolt beschränkt, die FWHM-Breite DE des Emissionsspektrums 3 kann jedoch auch darüber liegen.

Die minimale Dicke d _min einer epitaktischen Konversionsschicht 4 ergibt sich hierbei zu ungefähr 15 Nanometer, während der maximale Wert der Gesamtanzahl N _max von epitaktischen

Konversionsschichten 4 ungefähr 36 beträgt. Die Dicke der einzelnen epitaktischen Konversionsschichten 4 liegt

beispielsweise zwischen einschließlich 10 Nanometer und einschließlich 100 Nanometer.

Die in Figur 8 simulierten Werte gelten beispielsweise für ein AlGaAs-basiertes epitaktisches Konversionselement 1, dessen Anregungsspektrum 2 eine Peakwellenlänge _peak von ungefähr 650 Nanometer aufweist und das eine Struktur

aufweist, wie beispielsweise in Figur 4 offenbart. Figur 9 zeigt ein Diagramm mit einem simulierten Emissionsspektrum 3 ausgehend von einem ebenfalls

dargestellten Anregungsspektrum 2. Die Gesamtanzahl N der epitaktischen Konversionsschichten 4 beträgt hierbei 10. Das Emissionsspektrum 3 setzt sich aus den Einzelspektren 5 der epitaktischen Konversionsschichten 4 zusammen. Das

Emissionsspektrum 3 des epitaktischen Konversionselements 1 weist hierbei eine deutlich größere FWHM-Bereite DE auf als das Anregungsspektrum 2.

Die vorliegende Anmeldung beanspruch die Priorität der deutschen Anmeldung DE 102018101089.3, deren

Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezg aufgenommen wird.

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den

Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Bezugszeichenliste

1 Konversionselement

2 AnregungsSpektrum

3 Emissionsspektrum

4 KonversionsSchicht

5 EinzelSpektrum

6 Deckschicht

7 Strukturierung

8 VerbindungsSchicht

9 epitaktische Halbleiterschichtenfolge

10 aktive Zone

11 Träger

12 spiegelnde Schicht

13 Strahlungseintrittsfläche des Konversionselements

14 Strahlungsaustrittsfläche des Konversionselements

15 Barriereschichten

1 6 WachstumsSubstrat

17 n-KontaktSchicht

1 8 n-StromaufweitungsSchicht

1 9 p-StromaufweitungsSchicht

DE, dE FWHM-Breite

^peak Peakwellenlänge