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DE10250635A1 - Light-emitting diode chip includes recesses in rear of substrate which extend to semiconductor layer sequence and contain reflective material - Google Patents

Light-emitting diode chip includes recesses in rear of substrate which extend to semiconductor layer sequence and contain reflective material Download PDF

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DE10250635A1
DE10250635A1 DE10250635A DE10250635A DE10250635A1 DE 10250635 A1 DE10250635 A1 DE 10250635A1 DE 10250635 A DE10250635 A DE 10250635A DE 10250635 A DE10250635 A DE 10250635A DE 10250635 A1 DE10250635 A1 DE 10250635A1
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DE
Germany
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substrate
semiconductor layer
layer sequence
recess
recesses
Prior art date
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Ceased
Application number
DE10250635A
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German (de)
Inventor
Wilhelm Dr. Stein
Ulrich Dr. Jacob
Stefan Janes
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ams Osram International GmbH
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osram Opto Semiconductors GmbH filed Critical Osram Opto Semiconductors GmbH
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Abstract

Recesses (16) in the substrate (10) extend into its rear side, opposite the semiconductor layer sequence (12). They stop just before, at or in the sequence. Each recess is at least partially-filled or coated with a material reflecting radiation produced in the active zone of the semiconductor sequence. An Independent claim is included for the manufacture of a light-emitting diode.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein strahlungsemittierendes Halbleiterelement, insbesondere einen strahlungsemittierenden Leuchtdiodenchip, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen strahlungsemittierenden Halbleiterelements nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 10.The present invention relates to a radiation-emitting semiconductor element, in particular one radiation-emitting diode chip, according to the preamble of claim 1 and a method for producing such a radiation-emitting Semiconductor element according to the preamble of patent claim 10.

In strahlungsemittierenden Halbleiterelementen, wie beispielsweise LED-Chips, wird eine in der aktiven Zone einer epitaktisch hergestellte Halbleiterschichtfolge erzeugte Strahlung im allgemeinen in alle Raumrichtungen und folglich auch zu einem Trägersubstrat hin ausgesendet. Die aktive Zone enthält mindestens einen Strahlung erzeugenden pn-Übergang, bevorzugt eine Einfach-Quantentopfstruktur (SQW(Single Quantum Well)-Struktur) oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW(Multiple Quantum Well). Solche Strukturen sind bekannt und werden von daher an dieser Stelle nicht näher erläutert. Eine geeignete Mehrfach-Quantentopfstruktur auf der Basis von InxAlyGa1_x_yN mit 0 ≤ x ≤ 1,0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 ist beispielsweise in der WO01/39282 A2 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insoweit hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Geeignete Halbleiterschichtenfolgen auf der Basis von InxAlyGa1_x_yP mit 0 ≤ x ≤ 1,0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 sind beispielsweise in WO 02/13281 A1, US 5,008,718 und US 5,367,580 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insoweit hiermit ebenfalls durch Rückbezug aufgenommen wird.In radiation-emitting semiconductor elements, such as LED chips, a radiation generated in the active zone of an epitaxially produced semiconductor layer sequence is generally emitted in all spatial directions and consequently also to a carrier substrate. The active zone contains at least one radiation-producing pn junction, preferably a single quantum well structure (SQW (Single Quantum Well) structure) or a multiple quantum well structure (MQW (Multiple Quantum Well). Such structures are known and are therefore used on them A suitable multiple quantum well structure based on In x Al y Ga 1 _ x _ y N with 0 x x 1,0 1.0 y y 1 1 and x + y 1 1 is described, for example, in WO01 / 39282 A2, the disclosure content of which is hereby incorporated by reference. Suitable semiconductor layer sequences based on In x Al y Ga 1 _ x _ y P with 0 ≤ x ≤ 1.0 ≤ y ≤ 1 and x + y ≤ 1 are, for example, in WO 02/13281 A1, US 5,008,718 and US 5,367,580 described, the disclosure content of which is hereby also incorporated by reference.

Zur Erzielung einer möglichst hohen Strahlungsausbeute ist es deshalb wünschenswert, auch einen möglichst großen Anteil der zum Substrat hin ausgesendeten Strahlung aus dem Halbleiterelement auszukoppeln.To achieve a possible It is therefore desirable to have a high radiation yield, if possible huge Proportion of radiation emitted towards the substrate from the semiconductor element decouple.

Dem steht insbesondere bei strahlungsemittierenden Halbleiterelementen auf AlGaInP- oder AlGaAs-Basis das Problem gegenüber, dass diese Materialsysteme im allgemeinen auf einem Substrat aus GaAs oder SiC aufgebaut werden, da diese Materialien der auf zuwachsenden Halbleiterschichtfolge angepasste Gitterstrukturen besitzen. Insbesondere GaAs ist aber für die in der Halbleiterschichtfolge der genannten Materialsysteme erzeugte Strahlung zumindest teilweise absorbierend, so dass ein beträchtlicher Anteil der in der Halbleiterschichtfolge erzeugten Strahlung durch Absorption im Substrat verloren geht und nicht aus dem Halbleiterelement ausgekoppelt werden kann.This is particularly the case with radiation-emitting AlGaInP or AlGaAs based semiconductor elements faced the problem that these material systems generally on a substrate made of GaAs or SiC can be built up, because these materials of growing Semiconductor layer sequence have adapted lattice structures. In particular But GaAs is for those in the semiconductor layer sequence of the material systems mentioned generated radiation at least partially absorbing, so that a considerable Proportion of radiation generated in the semiconductor layer sequence Absorption is lost in the substrate and is not coupled out of the semiconductor element can be.

Eine Möglichkeit, diesem Problem zu begegnen, ist aus der US-A-5,376,580 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterelements auf AlGaInP- oder AlGaAs-Basis zunächst eine Halbleiterschichtfolge epitaktisch auf ein GaAs-Substrat aufgewachsen. Anschließend wird die Halbleiterschichtfolge vom GaAs-Substrat getrennt, nachdem sie mittels Waferbonden mit einem elektrisch leitfähigen und für die in der aktiven Zone erzeugte Strahlung optisch transparenten Substrat, wie zum Beispiel einem GaP-Substrat, verbunden worden ist.One way to deal with this problem is from the US-A-5,376,580 known. In this known method, in order to produce a radiation-emitting semiconductor element based on AlGaInP or AlGaAs, a semiconductor layer sequence is first grown epitaxially on a GaAs substrate. The semiconductor layer sequence is then separated from the GaAs substrate after it has been connected by means of wafer bonding to an electrically conductive substrate, such as a GaP substrate, which is optically transparent to the radiation generated in the active zone.

Bei einem auf diese Weise hergestellten Halbleiterelement wird die in der Halbleiterschichtfolge erzeugte und in Richtung Substrat ausgesendete Strahlung nicht in dem Substrat absorbiert, sondern kann durch das optisch transparente Substrat ausgekoppelt werden, was die Strahlungsausbeute des Halbleiterelements deutlich erhöht.In a semiconductor element manufactured in this way is the generated in the semiconductor layer sequence and in the direction Radiation emitted by the substrate is not absorbed in the substrate, but can be coupled out through the optically transparent substrate become clear what the radiation yield of the semiconductor element elevated.

Anstelle des Umbondens der Halbleiterschichtfolge auf ein optisch transparentes Substrat ist es auch denkbar, die von dem GaAs-Substrat abgelöste Halbleiterschichtfolge auf einen verspiegelten Träger aufzubringen, der die zum Substrat hin ausgesandte Strahlung zur Halbleiterschichtenfolge hin zurückreflektiert.Instead of rebonding the semiconductor layer sequence on an optically transparent substrate, it is also conceivable that detached from the GaAs substrate To apply the semiconductor layer sequence to a mirrored carrier, the radiation emitted towards the substrate towards the semiconductor layer sequence reflected back.

Die Verfahrensschritte des Abtrennens des GaAs-Substrats und des Waferbondens bringen jedoch die Gefahr mit sich, dass die Halbleiterschichtfolge bei den zusätzlichen mechanischen und/oder chemischen Verfahrensschritten beschädigt werden kann.The separation process steps of the GaAs substrate and wafer bonding, however, pose a risk with the fact that the semiconductor layer sequence at the additional mechanical and / or chemical process steps can be damaged.

Um diesem Problem entgegenzuwirken, schlägt die DE 100 08 583 A1 vor, zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterelements mit einem transparenten Substrat nach dem epitaktischen Aufwachsen einer Substratschicht auf ein GaAs-Substrat auf die Substratschicht mittels Waferbonden eine optisch transparente Schicht aufzubringen und anschließend das GaAs-Substrat zu entfernen. Auf das so vorgefertigte optisch transparente Substrat wird dann eine strahlungsemittierende Halbleiterschichtfolge aufgewachsen.To counteract this problem, the DE 100 08 583 A1 before applying a radiation-emitting semiconductor element with a transparent substrate after epitaxially growing a substrate layer onto a GaAs substrate onto the substrate layer by means of wafer bonding and then removing the GaAs substrate. A radiation-emitting semiconductor layer sequence is then grown on the prefabricated optically transparent substrate.

Auch bei diesem weiterentwickelten Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterelements auf einem optisch transparenten Substrat sind jedoch aufwändige Verfahrensschritte des Abtrennens eines Substrats und des Waferbondens erforderlich.Also with this further developed Method for producing a radiation-emitting semiconductor element on an optically transparent substrate, however, are complex process steps of the Separation of a substrate and the wafer bond required.

Zur Erhöhung der Effizienz eines strahlungsemittierenden Halbleiterelements ist es alternativ auch möglich, zwischen dem GaAs-Substrat und der Strahlung erzeugenden Halbleiterschichtfolge eine die Strahlung reflektierende Schicht vorzusehen. Hierbei besteht allerdings die Schwierigkeit, eine reflektierende Schicht mit einer Gitterstruktur zu finden, die das epitaktische Aufwachsen der strahlungsemittierenden Halbleiterschichtfolge nicht beeinträchtigt.To increase the efficiency of a radiation emitting As an alternative, semiconductor element is also possible between the GaAs substrate and the radiation-generating semiconductor layer sequence contains the radiation to provide a reflective layer. Here, however, there is Difficulty finding a reflective layer with a lattice structure to find the epitaxial growing up of the radiation emitting Semiconductor layer sequence not affected.

Hierzu werden zum Beispiel in der DE 197 23 677 A1 und der US-A-5,874,747 strahlungsemittierende Halbleiterelemente offenbart, bei denen die Strahlung erzeugende Halbleiterschichtfolge zwischen zwei reflektierenden Schichten angeordnet ist. Diese beiden reflektierenden Schichten sind vorzugsweise als sogenannte Bragg-Reflektorschichten ausgebil det, die elektrisch leitfähig sind und eine Reflektivität von bis zu 95% erzielen.For example, in the DE 197 23 677 A1 and the US-A-5,874,747 Radiation-emitting semiconductor elements are disclosed in which the radiation-generating semiconductor layer sequence is arranged between two reflecting layers. These two reflective layers are preferably designed as so-called Bragg reflector layers, which are electrically conductive and achieve a reflectivity of up to 95%.

Die Bragg-Reflektorschichten bestehen hierbei zum Beispiel aus Schichtpaaren aus AlGaN und GaN oder aus InAlGaN mit unterschiedlichen In- bzw. Al-Anteilen. Um den gewünscht hohen Reflexionsgrad dieser Bragg-Reflektorschichten zu erreichen, ist im allgemeinen eine sehr große Anzahl von Schichtpaaren notwendig, was das Herstellungsverfahren aufwändiger und teurer und das daraus resultierende Bauelement größer macht.The Bragg reflector layers consist, for example, of layer pairs made of AlGaN and GaN or from InAlGaN with different In or Al proportions. In order to achieve the desired high degree of reflection of these Bragg reflector layers, a very large number of layer pairs is generally necessary, which makes the manufacturing process more complex and expensive and the resulting component larger.

Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung unter anderem die Aufgabe zu Grunde, ein vereinfachtes strahlungsemittierendes Halbleiterelement der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, bei dem Absorptionsverluste der erzeugten Strahlung im Substrat vermieden oder zumindest deutlich reduziert sind. Weiterhin soll ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Elements angegeben werden, das insbesondere ohne aufwändige Prozessschritte des Umbondens von Halbleiterschichtfolgen auskommt.Based on the aforementioned status of One of the objects of the present invention is technology based, a simplified radiation-emitting semiconductor element of the type mentioned at the beginning, in which absorption losses the radiation generated in the substrate avoided or at least clearly are reduced. Furthermore, a method for producing a such elements can be specified, in particular without complex process steps the rebonding of semiconductor layer sequences.

Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Halbleiterelements und des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 und 11 bis 16 angegeben.This task is accomplished by a semiconductor element with the features of claim 1 or by a method solved with the features of claim 10. Advantageous configurations and further developments of the semiconductor element and the method in the subclaims 2 to 9 and 11 to 16.

Bei einem strahlungsemittierenden Halbleiterelement gemäß der Erfindung weist das Substrat wenigstens eine Ausnehmung auf, die von der von der Halbleiterschichtfolge abgewandten Rückseite des Substrats ausgeht und sich zur Halbleiterschichtfolge hin erstreckt. Vorzugsweise reicht die Ausnehmung bis zur Halbleiterschichtfolge hin oder zumindest bis knapp vor die Halbleiterschichtfolge. Die Ausnehmung ist zumindest teilweise mit einem Material gefüllt, das für die in der aktiven Zone der Halbleiterschichtfolge erzeugte Strahlung re flektierend ist. Alternativ kann die Ausnehmung mit einem solchen reflektierenden Material beschichtet sein, was im Folgenden als von dem Begriff "teilweise gefüllt" eingeschlossen zu betrachten ist.With a radiation-emitting Semiconductor element according to the invention the substrate has at least one recess which is different from that of the Semiconductor layer sequence facing away from the back of the substrate and extends to the semiconductor layer sequence. Preferably the recess extends to the semiconductor layer sequence or at least until just before the semiconductor layer sequence. The recess is at least partially filled with a material, that for the radiation generated in the active zone of the semiconductor layer sequence re is reflective. Alternatively, the recess can be reflective Material may be coated, which in the following is included in the term "partially filled" look at is.

Durch die mit einem reflektierenden Material gefüllten Ausnehmungen in dem Substrat wird eine Teilverspiegelung des Substrats erzielt, die zumindest einen Teil der in das Substrat eindringenden Strahlung in die Halbleiterschichtfolge zurück und/oder aus dem Substrat hinaus reflektiert. Diese Teilverspiegelung verringert vorteilhafterweise die Strahlungsabsorption im Substrat und erhöht damit den Wirkungsgrad des strahlungsemittierenden Halbleiterelements.By using a reflective Stuffed material Recesses in the substrate become a partial mirroring of the substrate achieved that at least part of the radiation penetrating into the substrate back into the semiconductor layer sequence and / or out of the substrate reflected out. This partial mirroring advantageously reduces the radiation absorption in the substrate and thus increases the efficiency of the radiation-emitting semiconductor element.

Bei der Herstellung eines solchen strahlungsemittierenden Halbleiterelements sind vorteilhaferweise keine aufwändigen Prozessschritte für ein Umbonden der Halbleiterschichtfolge erforderlich, die Schichten des Halbleiterelements können vielmehr zunächst auf herkömmliche Weise aufgebaut werden. Außerdem muss das reflektierende Material in den Ausnehmungen nicht unbedingt einen barrierefreien Übergang zu der Halbleiterschichtfolge gewährleisten, so dass man diesbezüglich in der Wahl des reflektierenden Materials sehr frei ist.When making one radiation-emitting semiconductor elements are advantageous no elaborate Process steps for one Re-bonding of the semiconductor layer sequence required, the layers rather, the semiconductor element first on conventional Be built up way. Moreover the reflective material in the recesses does not necessarily have to a barrier-free transition to ensure the semiconductor layer sequence, so that in this regard the choice of reflective material is very free.

Im Gegensatz zu dem bekannten Lösungsansatz mit einer Bragg-Reflektorschicht zwischen dem Substrat und der Halbleiterschichtfolge wird die Bauhöhe des daraus resultierenden Halbleiterelements vorteilhaferweise nicht vergrößert.In contrast to the well-known approach with a Bragg reflector layer between the substrate and the semiconductor layer sequence, the overall height of the resulting resulting semiconductor element advantageously not enlarged.

Die Ausnehmung oder, falls gegeben, die Ausnehmungen können vollständig mit dem reflektierenden Material gefüllt sein. Alternativ können die Innenflächen der Ausnehmung mit dem reflektierenden Material beschichtet sein. Um gegebenenfalls einer Gefahr eines Verwerfens des Halbleiterwafers während des weiteren Prozessierens zu begegnen, können die beschichteten Ausnehmungen mit einem hinsichtlich der thermischen Ausdehnung des Wafers angepaßten Material gefüllt werden.The recess or, if given, the recesses can Completely be filled with the reflective material. Alternatively, the inner surfaces the recess may be coated with the reflective material. To avoid any risk of warping the semiconductor wafer while To counteract further processing, the coated recesses can with a material adapted with regard to the thermal expansion of the wafer filled become.

Die mit dem reflektierenden Material zu füllenden Ausnehmungen in dem Substrat werden vorzugsweise durch einen Ätzprozess ausgebildet. Um dabei eine Beschädigung der Halbleiterschichtfolge auf dem Substrat weitestmöglich zu vermeiden, wird das Ätzen der Ausnehmungen vorzugsweise zumindest in der Nähe der Halbleiterschichtfolge mit einer niedrigen Ätzrate und/oder mit einem die Halbleiterschichtfolge nicht abtragenden bzw. angreifenden Ätzverfahren durchgeführt.The one with the reflective material to be filled Recesses in the substrate are preferably made by an etching process educated. To avoid damage the semiconductor layer sequence on the substrate as much as possible avoid the etching of the recesses preferably at least in the vicinity of the semiconductor layer sequence with a low etch rate and / or with one that does not remove the semiconductor layer sequence or attacking etching processes carried out.

Das reflektierende Material in den Ausnehmungen ist bevorzugt ein Metall, wie zum Beispiel Aluminium, Silber oder Gold.The reflective material in the Recesses is preferably a metal, such as aluminum, Silver or gold.

Der laterale Flächenanteil (das heißt der Flächenanteil parallel zur Haupterstreckungsrichtung der Halbleiterschichtfolge) der mit dem reflektierenden Material gefüllten Ausnehmungen zu der lateralen Gesamtfläche des Substrats und damit der Metallisierungsgrad der Rückseite der Halbleiterschichtfolge kann mehr als etwa 30%, bevorzugt mehr als etwa 40%, besonders bevorzugt mehr als etwa 50% betragen.The lateral area share (i.e. the area share parallel to the main direction of extent of the semiconductor layer sequence) of the recesses filled with the reflective material to the lateral total area of the substrate and thus the degree of metallization of the back the semiconductor layer sequence can be more than about 30%, preferably more than about 40%, particularly preferably more than about 50%.

Die Ausnehmungen können eine im wesentlichen kreisförmige Querschnittsform mit einem Durchmesser von etwa 20 μm bis etwa 100 μm aufweisen. Vorzugsweise beträgt der Durchmesser der im wesentlichen kreisförmigen Ausnehmungen etwa 30 μm bis etwa 80 μm, besonders bevorzugt etwa 40 μm bis etwa 60 μm.The recesses can be one essentially circular Cross-sectional shape with a diameter of about 20 microns to about Have 100 μm. Preferably is the diameter of the substantially circular recesses is approximately 30 μm to approximately 80 μm, especially preferably about 40 μm up to about 60 μm.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform reichen die Ausnehmungen in dem Substrat bis zu der Halbleiterschichtfolge, so dass das reflektierende Material direkt mit der Halbleiterschichtfolge in Kontakt steht. In diesem Fall kann das reflektierende Material in den Ausnehmungen an der der Halbleiterschichtfolge abgewandten Rückseite mit einem elektrischen Anschluss verbunden werden, was vorteilhafterweise über eine Metallisierung der Rückseite des Substrats erfolgt. Auf diese Weise ist es möglich, auch bei schlecht oder nicht elektrisch leitenden Substraten wie zum Beispiel SiC oder Saphir eine direkte elektrische Anbindung der untersten Schicht der Halbleiterschichtfolge herzustellen, so dass Spannungsverluste durch das Substrat verringert bzw. weitestgehend eliminiert werden können.In a particularly advantageous embodiment, the recesses in the substrate extend as far as the semiconductor layer sequence, so that the reflective material is in direct contact with the semiconductor layer sequence. In this case, the reflective material in the recesses on the rear side facing away from the semiconductor layer sequence can be connected to an electrical connection, which is advantageously carried out by metallizing the rear side of the substrate. In this way it is possible to establish a direct electrical connection of the bottom layer of the semiconductor layer sequence even with poorly or non-electrically conductive substrates such as SiC or sapphire, so that voltage losses through the substrate are reduced can be eliminated or largely eliminated.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus dem im Folgenden in Verbindung mit den 1 und 2 näher erläuterten Ausführungsbeispiel. Es zeigen:Further advantageous refinements and developments result from the following in conjunction with the 1 and 2 illustrated embodiment. Show it:

1 eine schematische Darstellung einer Draufsicht eines strahlungsemittierenden Halbleiterelements gemäß der Erfindung; und 1 a schematic representation of a top view of a radiation-emitting semiconductor element according to the invention; and

2 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht des strahlungsemittierenden Halbleiterelements von 1. 2 is a schematic representation of a side view of the radiation-emitting semiconductor element of 1 ,

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 ist auf einem GaAs-Substrat 10 eine mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie hergestellte, auf InGaAlP basierende Halbleiterschichfolge 12 mit einer strahlungserzeugenden aktiven Zone 120 aufgebracht. Solche Halbleiterschichtfolgen, die in der aktiven Zone beispielsweise einen strahlungserzeugenden pn-Übergang, eine strahlungserzeugende SQW- oder MQW-Struktur aufweist, sind bekannt und werden von daher an dieser Stelle nicht näher erläutert. Der Vollständigkeit halber sei aber erwähnt, dass eine beispielhafte Halbleiterschichtfolge zwei InAlP-Confinement-Schichten unterschiedlichen Leitungstyps aufweist, zwischen denen eine MQW-Struktur auf der Basis von In(Ga,Al)P angeordnet ist. Zwischen der dem Substrat 10 zugewandten Confinementschicht und dem Substrat ist vorzugsweise eine Pufferschicht angeordnet. Auf der vom Substrat abgewandten Confinementschicht ist, bevorzugt eine gut elektrisch leitende Fensterschicht angeordnet, die zur Stromaufweitung möglichst über den gesamten Querschnitt der Halbleiterschichtfolge 12 dient und auf der sich beispielsweise eine Kontaktmetallisierung mit einem Bondpad 14 befindet.In the embodiment according to the 1 and 2 is on a GaAs substrate 10 a semiconductor layer sequence produced by means of organometallic gas phase epitaxy and based on InGaAlP 12 with a radiation-generating active zone 120 applied. Such semiconductor layer sequences, which have, for example, a radiation-generating pn junction, a radiation-generating SQW or MQW structure in the active zone, are known and are therefore not explained in more detail here. For the sake of completeness, however, it should be mentioned that an exemplary semiconductor layer sequence has two InAlP confinement layers of different conductivity types, between which an MQW structure based on In (Ga, Al) P is arranged. Between the the substrate 10 a buffer layer is preferably arranged facing the confinement layer and the substrate. On the confinement layer facing away from the substrate there is preferably arranged a window layer which is a good electrical conductor and which, for current expansion, extends over the entire cross section of the semiconductor layer sequence as far as possible 12 serves and on which, for example, a contact metallization with a bond pad 14 located.

Das GaAs-Substrat 10 muss bei Anwendung der erfindungsgemäßen technischen Lehre nicht notwendigerweise elektrisch leitfähig sein. Für die in der Halbleiterschichtfolge 12 erzeugte Strahlung ist das GaAs-Substrat zumindest teilweise absorbierend.The GaAs substrate 10 does not necessarily have to be electrically conductive when using the technical teaching according to the invention. For those in the semiconductor layer sequence 12 generated radiation, the GaAs substrate is at least partially absorbent.

Bei einer Halbleiterschichtfolge 12 auf der Basis von InGaAlN besteht das Substrat beispielweise aus SiC, aus Si oder aus Saphir. Die Halbleiterschichtfolge 12 weist. beispielsweise wiederum zwei Confinementschichten unterschiedlichen Leitungstyps auf, zwischen denen eine SQW- oder eine MQW-Struktur auf der Basis von InGaN einer strahlunserzeugenden Zone angeordnet ist.With a semiconductor layer sequence 12 based on InGaAlN, the substrate consists of SiC, Si or sapphire, for example. The semiconductor layer sequence 12 has. For example, again two confinement layers of different conductivity types, between which an SQW or an MQW structure based on InGaN of a radiation-generating zone is arranged.

Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht allein auf die in den Figuren dargestellte Form der Elektrode 14 beschränkt; es können zum Beispiel auch mehrteilige Elektrodengeometrien oder Elektrodengeometrien mit einem zentralen Freiraum gewählt werden.The present invention is of course not limited to the shape of the electrode shown in the figures 14 limited; for example, multi-part electrode geometries or electrode geometries with a central free space can also be selected.

Wie in 2 durch die gestrichelten Linien angedeutet, sind in dem Substrat 10 von dessen von der Halbleiterschichtfolge 12 abgewandten Seite her mehrere Ausnehmungen 16 in Form von Sacklöchern ausgebildet. Diese Ausnehmungen 16 reichen im Ausführungsbeispiel bis an die Halbleiterschichtfolge 12 heran, können alternativ aber auch vor der Halbleiterschichtfolge 12 enden, um beispielsweise, falls erforderlich, die Stabilität des Wafers zu erhalten.As in 2 indicated by the dashed lines are in the substrate 10 from that from the semiconductor layer sequence 12 facing away from several recesses 16 formed in the form of blind holes. These recesses 16 in the exemplary embodiment extend to the semiconductor layer sequence 12 approach, but can alternatively also before the semiconductor layer sequence 12 ends, for example, if necessary, to maintain the stability of the wafer.

Die Ausnehmungen 16 sind im Querschintt kreisförmig, was durch die gestrichelten Linien in 1 veranschaulicht ist. Es sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung aber auch andere Querschnittsformen wie zum Beispiel quadratische oder rechteckige möglich. Ebenso können die Ausnehmungen alternativ beispielsweise kegelartig, kegelstumpfartig, pyramidenartig oder pyramidenstumpfartig ausgebildet sein, mit sich zur Halbleiterschichtfolge 12 hin verjüngendem Querschnitt.The recesses 16 are circular in the cross section, which is indicated by the dashed lines in 1 is illustrated. However, other cross-sectional shapes such as, for example, square or rectangular are also possible within the scope of the present invention. Likewise, the recesses can alternatively, for example, be conical, truncated, pyramidal or truncated pyramid with the semiconductor layer sequence 12 tapering cross-section.

Im Ausführungsbeispiel weisen die Ausnehmungen eine kreisförmige Querschnittsform mit einem Durchmesser auf, der zwischen etwa 20 μm und etwa 100 μm, bevorzugter zwischen etwa 30 μm und etwa 80 μm, besonders bevorzugt zwischen etwa 40 μm und etwa 60 μm liegt. Außerdem beträgt der Flächenanteil der Ausnehmungen 16 zu der lateralen Gesamtfläche des Substrats 10 mehr als etwa 30%, bevorzugt mehr als etwa 40%, besonders bevorzugt etwa oder mehr als 50%.In the exemplary embodiment, the recesses have a circular cross-sectional shape with a diameter which is between approximately 20 μm and approximately 100 μm, more preferably between approximately 30 μm and approximately 80 μm, particularly preferably between approximately 40 μm and approximately 60 μm. In addition, the area share of the recesses is 16 to the total lateral area of the substrate 10 more than about 30%, preferably more than about 40%, particularly preferably about or more than 50%.

Die Ausnehmungen 16 werden in das Substrat 10 von dessen Rückseite her mittels Maskieren und Ätzen eingebracht. Der Ätzprozess kann dabei nach dem Aufwachsen der Halbleiterschichtfolge 12 auf das Substrat 10 mittels eines naßchemischen Verfahrens oder eines Trockenätzverfahrens erfolgen.The recesses 16 are in the substrate 10 introduced from the back by masking and etching. The etching process can take place after the growth of the semiconductor layer sequence 12 on the substrate 10 by means of a wet chemical process or a dry etching process.

Um eine Beschädigung der Halbleiterschichtfolge 12 zu vermeiden, wird das Ätzen der Ausnehmungen zumindest in der Nähe der Halbleiterschichtfolge 12 vorzugsweise mit einer niedrigen Ätzrate und/oder mit einem die Halbleiterschichtfolge 12 nicht oder nur sehr geringfügig abtragenden bzw. angreifenden Ätzverfahren durchgeführt. Alternativ ist es auch denkbar, eine dünne Substratschicht unterhalb der Halbleiterschichtfolge 12 zurückzulassen.Damage to the semiconductor layer sequence 12 To avoid the etching of the recesses is at least in the vicinity of the semiconductor layer sequence 12 preferably with a low etching rate and / or with a semiconductor layer sequence 12 not carried out or only very slightly abrasive or attacking etching processes. Alternatively, it is also conceivable to have a thin substrate layer below the semiconductor layer sequence 12 leave.

Nach der Herstellung der Ausnehmungen 16 werden diese Ausnehmungen 16 mit einem reflektierenden Material gefüllt. Vorzugsweise ist das reflektierende Material ein Metall, wie beispielsweise Al, Ag oder Au, eine Legierung aus diesen Metallen oder eine Schichtfolge aus diesen Metallen und/oder Legierungen.After making the recesses 16 these recesses 16 filled with a reflective material. The reflective material is preferably a metal, such as Al, Ag or Au, an alloy of these metals or a layer sequence of these metals and / or alloys.

Durch das reflektierende Material in den Ausnehmungen 16 wird eine Teilverspiegelung der Unterseite der Halbleiterschichtfolge 12 erzielt. Diese Teilverspiegelung reflektiert zumindest einen Teil der von der aktiven Zone 120 zum Substrat 10 hin ausgesandten Strahlung in die Halbleiterschichtfolge 12 zurück und verringert damit die Absorption der in der Halb leiterschichtfolge 12 erzeugten Strahlung im Substrat 10, wodurch die Strahlungsauskopplung und damit der Wirkungsgrad des Halbleiterelements erhöht wird.Due to the reflective material in the recesses 16 becomes a partial mirroring of the underside of the semiconductor layer sequence 12 achieved. This partial mirroring reflects at least part of that from the active zone 120 to the substrate 10 radiation emitted into the semiconductor layer sequence 12 back and thus reduces the absorption of the in the semiconductor layer sequence 12 generated radiation in the substrate 10 , whereby the radiation coupling and thus the efficiency of the semiconductor element is increased.

Der Teilverspiegelungsgrad entspricht im wesentlichen dem Flächenanteil der Ausnehmungen 16 an der Gesamtfläche des Substrats 10, so dass eine Reflexion der in der Halbleiterschichtfolge 12 erzeugten und in Richtung auf das Substrat 10 ausgesendeten Strahlung um bis zu 50% und mehr erreicht werden kann.The degree of partial mirroring essentially corresponds to the area proportion of the recesses 16 on the total area of the substrate 10 so that a reflection of the in the semiconductor layer sequence 12 generated and towards the substrate 10 emitted radiation can be achieved by up to 50% and more.

Die Wahl des reflektierenden Materials in den Ausnehmungen 16 kann selbstverständlich auf die Wellenlänge der in der Halbleiterschichtfolge 12 erzeugten Strahlung abgestimmt werden. Vorteilhafterweise muss bei der Wahl des reflektierenden Materials nicht auf einen barrierefreien Übergang zur Halbleiterschichtfolge 12 geachtet werden.The choice of the reflective material in the recesses 16 can of course on the wavelength of the in the semiconductor layer sequence 12 generated radiation can be tuned. Advantageously, the choice of the reflective material does not have to be a barrier-free transition to the semiconductor layer sequence 12 be respected.

Im Ausführungsbeispiel reichen die Ausnehmungen 16 bis an die Halbleiterschichtfolge 12 heran, so dass zwischen dem reflektierenden Material in den Ausnehmungen 16 und der Halbleiterschichtfolge 12 keine Substratschicht 10 mehr vorhanden ist, sondern sie in direktem Kontakt zueinander stehen. In diesem Fall kann über das reflektierende Material, sofern es elektrisch leitfähig ist, eine gute elektrische Anbindung der Halbleiterschichtfolge 12 an eine Kontaktmetallisierung auf der Rückseite des Substrats 10 hergestellt werden, selbst wenn das Substrat 10 schlecht oder nicht elektrisch leitend ist. Dies hat den weiteren Vorteil, dass Spannungsverluste durch das Substrat 10 vermieden oder zumindest deutlich verringert werden.In the exemplary embodiment, the recesses are sufficient 16 down to the semiconductor layer sequence 12 so that between the reflective material in the recesses 16 and the semiconductor layer sequence 12 no substrate layer 10 there is more, but they are in direct contact with each other. In this case, a good electrical connection of the semiconductor layer sequence can be made via the reflective material, provided it is electrically conductive 12 to a contact metallization on the back of the substrate 10 be made even if the substrate 10 is poorly or not electrically conductive. This has the further advantage that voltage losses through the substrate 10 avoided or at least significantly reduced.

Die vorliegende Erfindung stellt somit ein strahlungsemittierendes Halbleiterelement bereit, das nur geringe Absorptionsverluste der in der Halbleiterschichtfolge 12 erzeugten Strahlung im Substrat 10 aufweist, so dass die Strahlungsauskopplung bzw. der Wirkungsgrad des Halbleiterelements wesent lich verbessert ist. Vermittels der Erfindung muß zu diesem Zweck die Bauhöhe des Halbleiterelements nicht erhöht werden, wie dies zum Beispiel bei dem Einbau von Bragg-Reflektorschichten in herkömmlichen Halbleiterelementen der Fall ist.The present invention thus provides a radiation-emitting semiconductor element which has only low absorption losses in the semiconductor layer sequence 12 generated radiation in the substrate 10 has, so that the coupling-out of radiation or the efficiency of the semiconductor element is significantly improved. For this purpose, the overall height of the semiconductor element does not have to be increased by means of the invention, as is the case, for example, when Bragg reflector layers are installed in conventional semiconductor elements.

Das strahlungsemittierende Halbleiterelement gemäß der Erfindung ist außerdem vergleichsweise einfach herstellbar, da keine aufwändigen Prozessschritte für das Umbonden der Halbleiterschichtfolge erforderlich sind. Außerdem ist die Gefahr einer Beschädigung der Halbleiterschichtfolge wesentlich geringer als beim Umbonden.The radiation-emitting semiconductor element according to the invention is also comparatively easy to manufacture because there are no complex process steps for the Re-bonding of the semiconductor layer sequence is necessary. Besides, is the risk of damage the semiconductor layer sequence is significantly lower than when re-bonding.

Claims (16)

Strahlungsemittierendes Halbleiterelement, mit einer Halbleiterschichtfolge (12), die eine eine elektromagnetische Strahlung erzeugende aktive Zone (120) aufweist und die auf einem für die elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise absorbierenden Substrat (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Substrat (10) wenigstens eine Ausnehmung (16) vorgesehen ist, die sich von der von der Halbleiterschichtfolge (12) abgewandten Rückseite des Substrats in das Substrat hinein, insbesondere im wesentlichen bis zur oder bis kurz vor die Halbleiterschichtfolge hin oder in diese hinein erstreckt; und dass die wenigstens eine Ausnehmung (16) zumindest teilweise mit einem für die in der aktiven Zone der Halbleiterschichtfolge erzeugte Strahlung reflektierenden Material gefüllt oder beschichtet ist.Radiation-emitting semiconductor element, with a semiconductor layer sequence ( 12 ), which is an active zone generating electromagnetic radiation ( 120 ) and on a substrate that is at least partially absorbent for the electromagnetic radiation ( 10 ) is arranged, characterized in that in the substrate ( 10 ) at least one recess ( 16 ) is provided, which differs from that of the semiconductor layer sequence ( 12 ) facing away from the back of the substrate into the substrate, in particular essentially up to or up to just before the semiconductor layer sequence or into this; and that the at least one recess ( 16 ) is at least partially filled or coated with a material reflecting for the radiation generated in the active zone of the semiconductor layer sequence. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das reflektierende Material in der wenigstens einen Ausnehmung (16) ein Metall ist.Semiconductor element according to claim 1, characterized in that the reflective material in the at least one recess ( 16 ) is a metal. Halbleiterelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ausnehmungen (16) vorhanden sind und der Flächenanteil der mit dem reflektierenden Material gefüllten Ausnehmungen (16) zur Gesamtfläche des Substrats (10) mehr als etwa 30% beträgt.Semiconductor element according to claim 1 or 2, characterized in that a plurality of recesses ( 16 ) are present and the area of the recesses filled with the reflective material ( 16 ) to the total area of the substrate ( 10 ) is more than about 30%. Halbleiterelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenanteil der mit dem reflektierenden Material gefüllten Ausnehmungen (16) zur Gesamtfläche des Substrats (10) bis zu etwa 50% oder mehr beträgt.Semiconductor element according to claim 3, characterized in that the surface portion of the recesses filled with the reflective material ( 16 ) to the total area of the substrate ( 10 ) is up to about 50% or more. Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (16) eine im wesentlichen kreisförmige Querschnittsform mit einem Durchmesser zwischen etwa 20 μm und etwa 100 μm aufweist.Semiconductor element according to one of claims 1 to 4, characterized in that the recess ( 16 ) has an essentially circular cross-sectional shape with a diameter between approximately 20 μm and approximately 100 μm. Halbleiterelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der im wesentlichen kreisförmigen Ausnehmung (16) zwischen etwa 30 μm bis etwa 80 μm liegt.Semiconductor element according to claim 5, characterized in that the diameter of the substantially circular recess ( 16 ) is between about 30 microns to about 80 microns. Halbleiterelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der im wesentlichen kreisförmigen Ausnehmung (16) zwischen etwa 40 μm und etwa 60 μm liegt.Semiconductor element according to claim 6, characterized in that the diameter of the substantially circular recess ( 16 ) is between about 40 microns and about 60 microns. Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (16) kegelartig, kegelstumpfartig, pyramidenartig oder pyramidenstumpfartig ausgebildet sind und sich im Verlauf zum Substrat hin verjüngen.Semiconductor element according to one of claims 1 to 4, characterized in that the recess ( 16 ) are conical, truncated cone, pyramid-like or truncated pyramid-shaped and taper towards the substrate. Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das reflektierende Material in der Ausnehmung (16) gut elektrisch leitend ist und sowohl mit der Halbleiterschichtfolge (12) als auch mit einer elektrischen Anschlußschicht am Substrat (10) elektrisch leitend verbunden ist.Semiconductor element according to one of claims 1 to 8, characterized in that the reflective material in the recess ( 16 ) is good electrical conductor and with the semiconductor layer sequence ( 12 ) as well as with an electrical connection layer on the substrate ( 10 ) is electrically connected. Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterelements nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit den Schritten: – Bereitstellen des Substrats (10); und – epitaktisches Aufwachsen der Halbleiterschichtfolge (12) auf das Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die weiteren Schritte aufweist: – Ausbilden der wenigstens einen Ausnehmung (16) im Substrat (10), und – zumindest teilweises Füllen oder Beschichten der wenigstens einen Ausnehmung (16) mit dem reflektierenden Material.Method for producing a radiation-emitting semiconductor element according to one of Claims 1 to 9, with the steps: - providing the substrate ( 10 ); and - epitaxial growth of the semiconductor layer sequence ( 12 ) on the substrate, characterized in that the method has the further steps: - Forming the at least one recess ( 16 ) in the substrate ( 10 ), and - at least partially filling or coating the at least one recess ( 16 ) with the reflective material. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (16) in dem Substrat (10) durch einen Ätzprozess ausgebildet wird.A method according to claim 10, characterized in that the recess ( 16 ) in the substrate ( 10 ) is formed by an etching process. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzen der Ausnehmungen (16) zumindest in der Nähe der Halbleiterschichtfolge (12) mit einer niedrigen Ätzrate durchgeführt wird.A method according to claim 11, characterized in that the etching of the recesses ( 16 ) at least in the vicinity of the semiconductor layer sequence ( 12 ) is performed with a low etching rate. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzen der Ausnehmungen (16) zumindest in der Nähe der Halbleiterschichtfolge (12) mit einem die Halbleiterschichtfolge nicht abtragenden Ätzverfahren durchgeführt wird.A method according to claim 11 or 12, characterized in that the etching of the recesses ( 16 ) at least in the vicinity of the semiconductor layer sequence ( 12 ) is carried out using an etching process which does not remove the semiconductor layer sequence. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (16) bis zur Halbleiterschichtfolge (12) hin oder in diese hinein reichen, so dass das reflektierende Material direkt mit der Halbleiterschichtfolge (12) in elektrischem Kontakt steht.Method according to one of claims 10 to 13, characterized in that the recess ( 16 ) up to the semiconductor layer sequence ( 12 ) reach into or into it, so that the reflective material directly with the semiconductor layer sequence ( 12 ) is in electrical contact. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Schritt der Metallisierung der der Halbleiterschichtfolge (12) abgewandten Rückseite des Substrats (10) aufweist, wobei die Metallisierung mit dem reflektierenden Material in den Ausnehmungen (10) elektrisch leitend verbunden wird.Method according to one of claims 10 to 14, characterized in that the method comprises a step of metallizing the semiconductor layer sequence ( 12 ) facing away from the back of the substrate ( 10 ), the metallization with the reflective material in the recesses ( 10 ) is electrically connected. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Metallisierung der Rückseite des Substrats (10) vor dem Schritt der Ausbildung der Ausnehmungen (16) in dem Substrat durchgeführt wird.A method according to claim 15, characterized in that the step of metallizing the back of the substrate ( 10 ) before the step of forming the recesses ( 16 ) is carried out in the substrate.
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