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DE19943405B4 - A method of fabricating a laterally monolithically integrated light emitting semiconductor device and light emitting semiconductor device - Google Patents

A method of fabricating a laterally monolithically integrated light emitting semiconductor device and light emitting semiconductor device Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines eine sichtbare mischfarbige Strahlung aussendenden Halbleiterchips, bei dem
a) auf ein Halbleitersubstrat (1) eine Maskenschicht (100) aufgebracht wird,
b) in die Maskenschicht (100) eine Anzahl von Fensteröffnungen (200) unterschiedlicher Größe geformt wird,
c) die Maskenschicht (100) und die Fensteröffnungen (200) durch metallorganische Gasphasenepitaxie derart mit metallorganischen Verbindungen beaufschlagt werden, daß in den Fensteröffnungen (200) jeweils eine aktive Halbleiterschichtenfolge (2) aus ternärem oder quarternärem Material enthaltend einen pn-Übergang (21) aufgewachsen wird, wobei die Halbleiterschichtenfolgen (2) in den Fensteröffnungen (200) jeweils mit denselben Materialkomponenten aber mit unterschiedlichen Zusammensetzungen des ternären oder quarternären Materials gebildet werden, wobei die im Verfahrensschritt a) aufgebrachte Maskenschicht (100) eine Mehrzahl von Teilbereichen (A–D) aufweist, in denen jeweils eine Gruppe von gleich großen Fensteröffnungen (200) ausgebildet wird und die Teilbereiche untereinander verschieden große Fensteröffnungen (200) aufweisen, so daß die aktiven Halbleiterschichtenfolgen der verschiedenen Gruppen mit unterschiedlichen Wellenlängen emittieren.
Method for producing a visible mixed-color radiation emitting semiconductor chip, in which
a) a mask layer (100) is applied to a semiconductor substrate (1),
b) forming a number of differently sized window openings (200) in the mask layer (100),
c) the mask layer (100) and the window openings (200) are subjected to organometallic compounds by organometallic vapor phase epitaxy such that an active semiconductor layer sequence (2) of ternary or quaternary material contains a pn junction (21) in the window openings (200). is grown, wherein the semiconductor layer sequences (2) in the window openings (200) are each formed with the same material components but with different compositions of the ternary or quaternary material, wherein the applied in step a) mask layer (100) has a plurality of subregions (A-D ), in which in each case a group of equally large window openings (200) is formed and the partial areas have different sized window openings (200), so that the active semiconductor layer sequences of the different groups emit at different wavelengths.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Verfahren zur Herstellung eines lateral monolithisch integrierten Lichtemissions-Halbleiterbauelements und Lichtemissions-Halbleiterbauelementmethod for producing a laterally monolithically integrated light-emitting semiconductor component and light emission semiconductor device

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines lateral monolithisch integrierten, bei unterschiedlichen Wellenlängen elektrolumineszierenden Lichtemissions-Halbleiterbauelements. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtemissions-Halbleiterbauelements, dessen einzelne Bauelemente auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat lateral monolithisch integriert sind. Das Verfahren beruht im wesentlichen darauf, daß durch metallorganische Gasphasenepitaxie in Fensteröffnungen unterschiedlicher Größe, die in eine Maskenschicht geformt sind, ternäre oder quarternäre Halbleiterverbindungen je nach Größe der Fensteröffnung in unterschiedlicher Zusammensetzung aufgewachsen werden.The The invention relates to a method for producing a laterally monolithic integrated, electroluminescent at different wavelengths Light-emitting semiconductor device. In particular, the Invention A Method of Manufacturing a Light Emitting Semiconductor Device its individual components on a common semiconductor substrate are integrated laterally monolithic. The process is essentially based on that by organometallic gas phase epitaxy in window openings different Size that are formed in a mask layer, ternary or quaternary semiconductor compounds depending on the size of the window opening in grown in different composition.

Die zunehmend breitere Anwendung von Lichtemissions-Halbleiterbauelementen läßt es als wünschenswert erscheinen, einen monolithischen LED-Chip zu entwickeln, der elektromagnetische Strahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen emittieren kann. Eine solche Entwicklung würde bedeutende Fortschritte insbesondere in der Display-Technologie mit sich bringen, denn damit könnte jedenfalls im Prinzip eine Integration aller drei Grundfarben auf einem einzigen LED-Chip gelingen. Aber auch andere Anwendungen, wie Anzeige- und Kontrolllampen, könnten kostensparend bezüglich Herstellung, Verarbeitung, etc. auf einem einzigen Halbleitersubstrat monolithisch integriert werden.The increasingly broad application of light emitting semiconductor devices leaves it as desirable appear to develop a monolithic LED chip, the electromagnetic radiation with different wavelengths can emit. Such a development would make significant progress especially in display technology, because with it could In any case, in principle, an integration of all three primary colors succeed in a single LED chip. But also other applications, like display and control lamps, could save costs in terms of production, Processing, etc. on a single semiconductor substrate monolithic to get integrated.

Mehrfarbig emittierende LED-Chips werden derzeit jedoch überwiegend noch aus drei individuellen, einfarbig emittierenden Halbleiterbauelementen zusammengesetzt, die in einem gemeinsamen Gehäuse verbaut werden. Bisher ist es lediglich bekannt, aus beispielsweise Galliumphosphid (GaP) Lichtemissi ons-Halbleitereinrichtungen mit einstellbarer Farbe durch Mischung von zwei emittierten Wellenlängen herzustellen. In dem Buch "Halbleiter-Optoelektronik" von M. Bleicher, erschienen im Dr. Alfred Hüthig Verlag, Heidelberg, 1986, ist auf den Seiten 157, 158 eine derartige Zwei-Farben-Lichtemissionsdiode (LED) beschrieben. Sie enthält zwischen ihrer Vorderseite, die die Lichtaustrittsseite ist, und ihrer Rückseite zwei oberflächenemittierende Lichtemissionsdioden. Diese werden durch epitaktisches Aufwachsen von p-leitenden, unterschiedlich störstellendotierten GaP-Schichten auf ein n-leitendes GaP-Substrat hergestellt, wodurch zwei an Vorder- und Rückseite des Substrats gebildete pn-Übergänge entstehen. Die obere p-leitende GaP-Schicht ist mit Stickstoff dotiert, während die untere p-leitende GaP-Schicht mit Sauerstoff und Zink dotiert ist. Der durch die obere GaP-Epischicht gebildete pn-Übergang emittiert somit bei elektrischer Anregung im grünen Spektralbereich, während der durch die untere GaP-Epischicht gebildete pn-Übergang im roten Spektralbereich emittiert. Die auf diese Weise geformten Dioden werden mit zwei Spannungsquellen betrieben, deren gemeinsamer Minuspol mit der n-Seite beider pn-Übergänge, also mit dem n-leitenden GaP-Substrat, verbunden ist. Durch getrenntes Einstellen der Diodenströme kann somit das Farbspektrum von rot über orange und gelb bis grün variiert werden. Die rote Strahlung durchdringt den gesamten Kristall und tritt durch die gleiche Fläche wie die grüne Strahlung aus, wodurch eine gute räumliche Mischung erzielt wird.multicolored However, emitting LED chips are still predominantly made up of three individual, composed of monochrome emitting semiconductor devices, in a common housing be installed. So far, it is only known, for example Gallium phosphide (GaP) light emission on semiconductor devices with adjustable color by mixing two emitted wavelengths to produce. In the book "Semiconductor Optoelectronics" by M. Bleicher, appeared in the Dr. Alfred Huthig Verlag, Heidelberg, 1986, is on pages 157, 158 such a Two-color light emitting diode (LED) described. It contains between its front, which is the light exit side, and its back two surface emitting light emitting diodes. These are formed by epitaxial growth of p-type, differently impurity-doped GaP layers produced on an n-type GaP substrate, thereby two at the front and back the substrate formed pn junctions arise. The upper p-type GaP layer is doped with nitrogen, while the lower p-type GaP layer is doped with oxygen and zinc. Of the thus formed by the upper GaP epi layer pn junction thus emitted electrical stimulation in the green Spectral range while through the lower GaP epilayer formed pn junction emitted in the red spectral range. The shaped in this way Diodes are operated with two voltage sources whose common Negative pole with the n-side of both pn junctions, ie with the n-type GaP substrate, is connected. By separately adjusting the diode currents can thus the color spectrum of red over orange and yellow to green be varied. The red radiation penetrates the entire crystal and passes through the same area like the green one Radiation, whereby a good spatial mixture is achieved.

Der Aufbau und die Struktur einer derartigen Anordnung bringt jedoch mit sich, daß lediglich elektromagnetische Strahlung zweier Wellenlängen emittiert werden kann. Da zudem die elektromagnetische Strahlung beider pn-Übergänge durch ein- und dieselbe Fläche aus dem Halbleiterbauelement austritt, wird stets eine räumliche Mischung der beiden Wellenlängen herbeigeführt. Ein weiterer Nachteil des beschriebenen Halbleiterbauelements liegt darin, daß ein pn-Übergang auf der Rückseite angeordnet ist und die von diesem pn-Übergang emittierte Strahlung den gesamten Kristall durchdringen muß. Die Hälfte der Strahlung wird zudem in Richtung auf die Rückseite des Halbleiterbauelements abgestrahlt und kann somit im allgemeinen nicht für eine Vorderseitenemission genutzt werden.Of the Structure and structure of such an arrangement, however, brings with that only electromagnetic radiation of two wavelengths can be emitted. Since in addition the electromagnetic radiation of both pn transitions by one and the same area exits the semiconductor device is always a spatial Mixture of the two wavelengths brought about. Another disadvantage of the semiconductor device described is in that one pn junction on the back side is arranged and the radiation emitted by this pn junction must penetrate the entire crystal. Half of the radiation will also towards the back of the semiconductor device and thus can generally not for a front emission can be used.

In der US 5,795,798 A ist ein Verfahren zur Herstellung eines monolithischen lumineszierenden Halbleiterbauelements beschrieben. Dabei werden individuelle, elektromagnetische Strahlung erzeugende Lumineszenzdiodenchips auf einem einzigen Substrat unter Verwendung von selektiver Epitaxie ausgebildet. Es ist beschrieben, dass sich die Strahlungsintensität jedes Lumineszenzdiodenchips durch eine gezielte Auswahl seiner lateralen Ausdehnung in Abhängigkeit der zu erwartenden Strahlungsintensität individuell einstellen lässt. Das Bauelement emittiert weißes Licht. Zudem wird gelehrt, dass sich Licht jeder gewünschten Farbe erzeugen lässt, indem die Helligkeit der Lumineszenzdiodenchips individuell kontrolliert wird.In the US 5,795,798 A a method for producing a monolithic luminescent semiconductor device is described. Thereby, individual electromagnetic radiation generating LED chips are formed on a single substrate using selective epitaxy. It is described that the radiation intensity of each LED chip can be set individually by a selective selection of its lateral extent as a function of the radiation intensity to be expected. The device emits white light. In addition, it is taught that light of any desired color can be produced by individually controlling the brightness of the LED chips.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines lateral monolithisch integrierten, bei mehreren unterschiedlichen Wellenlängen elektrolumineszierenden Lichtemissions-Halbleiterbauelements anzugeben. Ein derartiges Lichtemissions-Halbleiterbauelement soll insbesondere dazu in der Lage sein, elektromagnetische Strahlung bei zwei oder mehr verschiedenen Wellenlängen vorderseitig zu emittieren.It It is an object of the present invention to provide a process for the preparation a laterally monolithic integrated electroluminescent at several different wavelengths Specify light emitting semiconductor device. Such a light emitting semiconductor device should in particular be able to electromagnetic radiation emit at two or more different wavelengths front.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren bzw. durch ein Bauelement gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.This task is performed by a procedure or solved by a device according to the independent claims.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines bei einer Anzahl unterschiedlicher Wellenlängen elektrolumineszierenden Lichtemissions-Halbleiterbauelements wird demgemäß

  • a) auf ein Halbleitersubstrat eine Maskenschicht aufgebracht,
  • b) in die Maskenschicht eine Anzahl Fensteröffnungen unterschiedlicher Größen geformt, und
  • c) die Maskenschicht und die Fensteröffnungen durch metallorganische Gasphasenepitaxie mit metallorganischen Verbindungen derart beaufschlagt, daß in den Fensteröffnungen jeweils eine aktive, elektrolumineszierende Halbleiterschichtenfolge aus ternärem oder quarternärem Material enthaltend einen pn-Übergang aufgewachsen wird, wobei die Halbleiterschichtenfolgen in den Fensteröffnungen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen des ternären oder quarternären Materials gebildet werden. Die im Verfahrensschritt a) aufgebrachte Maskenschicht weist bei dem Verfahren eine Mehrzahl von Teilbereichen auf, in denen jeweils eine Gruppe von gleich großen Fensteröffnungen ausgebildet wird und die untereinander verschieden große Fensteröffnungen aufweisen, so daß die aktiven Halbleiterschichtenfolgen der verschiedenen Gruppen mit unterschiedlichen Wellenlängen emittieren.
In a method according to the invention for producing a light emission semiconductor component electroluminescent at a number of different wavelengths, accordingly
  • a) a mask layer is applied to a semiconductor substrate,
  • b) formed in the mask layer a number of window openings of different sizes, and
  • c) the metal-organic vapor phase epitaxy with organometallic compounds so acted upon by the mask layer and the window openings, that in the window openings in each case an active, electroluminescent semiconductor layer sequence of ternary or quaternary material containing a pn junction is grown, the semiconductor layer sequences in the window openings with different compositions of the ternary or quaternary material. In the method, the mask layer applied in method step a) has a plurality of partial areas, in each of which a group of equally large window openings is formed and which have window openings of different sizes, so that the active semiconductor layer sequences of the different groups emit at different wavelengths.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit selektive Epitaxie und metallorganische Gasphasenepitaxie (MOCVD oder MOVPE) miteinander kombiniert. Das allgemeine Prinzip der selektiven Epitaxie ist in J. J. Coleman, Metalorganic Chemical Vapor Depostion for Optoelectronic Devices, Proceedings of the IEEE, Vol.85, No.11, November 1997, S. 1715–1729, und in B. Korgel, R.F. Hicks, A diffusion model for selective-area epitaxy by metalorganic chemical vapor deposition, J. of Crystal Growth 151 (1995) 204–212, beschrieben. Aus der DE 44 29 772 C2 ist die Herstellung einer integrierten Modulator-Halbleiterlaservorrichtung unter Ausnutzung der selektiven Epitaxie bekannt.In the method according to the invention, selective epitaxy and organometallic gas phase epitaxy (MOCVD or MOVPE) are thus combined with one another. The general principle of selective epitaxy is described in JJ Coleman, Metalorganic Chemical Vapor Deposition for Optoelectronic Devices, Proceedings of the IEEE, Vol.85, No.11, November 1997, pp. 1715-1729, and in B. Korgel, RF Hicks, A diffusion model for selective-area epitaxy by metalorganic chemical vapor deposition, J. of Crystal Growth 151 (1995) 204-212. From the DE 44 29 772 C2 For example, it is known to make an integrated modulator semiconductor laser device utilizing selective epitaxy.

Bekanntermaßen lassen sich durch selektive Epitaxie vordefinierte Strukturen herstellen. Zu einer selektiven Schichtabscheidung kommt es dann, wenn die Substratoberfläche bereichsweise mit Materialien unterschiedlicher Elektronegativität belegt ist. Um selektive Schichtabscheidung zu erzielen, wird auf einem Halbleitersubstrat eine Maskenschicht abgeschieden, die beispielsweise aus SiO2 oder einer Silicium-Nitrid-Verbindung SiXN1-X besteht. In diese Maskenschicht werden Fens teröffnungen zum Substrat geformt, in denen die vordefinierten Strukturen hergestellt werden sollen. Diese Fensteröffnungen werden vorzugsweise durch einen Ätzschritt erzeugt. Somit wird eine strukturierte Substratoberfläche erzeugt, die bereichsweise mit dem Maskenmaterial und bereichsweise mit dem Halbleitersubstrat belegt ist. Wenn nun ein Halbleiterwachstumsprozeß durchgeführt wird, bei dem ein geeignetes Halbleitermaterial epitaktisch auf diese Substratoberfläche aufgewachsen wird, so kommt es zu selektiver Schichtabscheidung, die bevorzugt in den Fensteröffnungen der Maskenschicht abläuft. Form und Größe der gewünschten, vordefinierten Strukturen hängen somit im wesentlichen von den Strukturen der Fensteröffnungen in der Maskenschicht sowie den Epitaxieparametern ab.As is known, predefined structures can be produced by selective epitaxy. Selective layer deposition occurs when the substrate surface is partially covered with materials of different electronegativity. In order to achieve selective layer deposition, a mask layer consisting of, for example, SiO 2 or a silicon nitride compound Si x N 1-X is deposited on a semiconductor substrate. In this mask layer Fens teröffnungen are formed to the substrate in which the predefined structures are to be produced. These window openings are preferably produced by an etching step. Thus, a structured substrate surface is generated, which is partially covered with the mask material and partially with the semiconductor substrate. Now, when a semiconductor growth process is performed in which a suitable semiconductor material is epitaxially grown on this substrate surface, selective layer deposition occurs, which preferably proceeds in the window openings of the mask layer. The shape and size of the desired predefined structures thus depend essentially on the structures of the window openings in the mask layer and on the epitaxy parameters.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird als Epitaxieverfahren die metallorganische Gasphasenepitaxie angewandt. Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß die Maskenöffnung, d.h. das Verhältnis von offener Substratfläche zu maskierter Fläche, maßgeblich die Abscheidebedingungen der metallorganischen Gasphasenepitaxie bestimmt. Dies führt dazu, daß bei ternären oder quarternären Halbleiterverbindungen das Zusammensetzungsverhältnis der aufgewachsenen Halbleiterschicht bei gegebenen Epitaxieparametern von der Größe der Fensteröffnung abhängt. Somit kann durch die Größe der Fensteröffnung die Emissionswellenlänge eines in der Fensteröffnung aufzuwachsenden pn-Übergangs eingestellt werden. Die strukturgrößenabhängige Variation in der Zusammensetzung des Halbleitermaterials beruht letztlich auf einer Variation in der Wachstumsrate der verschiedenen Komponenten der ternären oder quarternären Halbleiterverbindung, die von den unterschiedlichen Diffusionsverhältnissen der einzelnen Komponenten in dem MOVPE-Prozeß auf dem Maskenmaterial bestimmt wird. Die chemischen Potentiale an der Oberfläche des Maskenmaterials bestimmen die Bindung dieser einzelnen Komponente, wie beispielsweise Ga und/oder In an eben dieser Maskenoberfläche. Durch einfache Variation der Maskenöffnungsgröße lassen sich auf diesem Wege alle durch die gewählte ternäre oder quarternäre Halbleiterverbindung erreichbaren Wellenlängen einstellen.In the method according to the invention becomes as epitaxy the organometallic gas phase epitaxy applied. An essential feature of the method according to the invention lies in the fact that the Mask opening, i.e. The relationship of open substrate surface to masked area, decisively the deposition conditions of organometallic gas phase epitaxy certainly. this leads to to that in ternary or quaternary Semiconductor compounds the composition ratio of the grown semiconductor layer for given epitaxy parameters, depends on the size of the window opening. Consequently can by the size of the window opening the emission wavelength of a growing up in the window opening pn junction be set. The structure-size-dependent variation in the composition of the semiconductor material is ultimately based on a variation in the growth rate of the various components of the ternary or quaternary Semiconductor compound that differs from the different diffusion ratios of the individual components in the MOVPE process on the mask material becomes. Determine the chemical potentials on the surface of the mask material the bonding of this single component, such as Ga and / or In on this same mask surface. By simple variation of the mask opening size can be in this way all by the chosen ternary or quaternary Set semiconductor connection achievable wavelengths.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird als das Material des Halbleitersubstrats InP gewählt und das Material der Halbleiterschichtenfolgen ist entweder die ternäre Verbindung GaInAs oder die quaternäre Verbindung GaInAsP. Bei diesen Materialkombinationen erweist es sich, daß mit zunehmender, Größe der Fensteröffnungen das Anteilsverhältnis Ga:In in dem abgeschiedenen Halbleitermaterial zunimmt, so daß die Bandlücke entsprechend zunimmt und ein aus diesem Material gebildeter pn-Übergang eine elektromagnetische Strahlung entsprechend kürzerer Wellenlänge emittiert.In an embodiment of the present invention is referred to as the material of the semiconductor substrate InP selected and the material of the semiconductor layer sequences is either the ternary Compound GaInAs or the quaternary compound GaInAsP. at These combinations of materials, it turns out that with increasing size of the window openings the share ratio Ga: In in the deposited semiconductor material increases, so that the bandgap accordingly increases and a formed from this material pn junction emits an electromagnetic radiation correspondingly shorter wavelength.

Es kann ferner vorgesehen sein, daß im Verfahrensschritt a) auf das Halbleitersubstrat zunächst eine Bragg-Reflektor-Schichtenfolge aufgebracht wird, die aus einer Anzahl von Reflektorschichtenpaaren zusammengesetzt ist, deren jedes einzelne Schichtenpaar zwei Schichten mit unterschiedlich hohem Brechungsindex aufweist, und auf dieser Bragg-Reflektor-Schichtenfolge dann die Maskenschicht aufgebracht wird. Dies hat den Vorteil, daß die von der aktiven, elektrolumineszierenden Schichtenfolge in Richtung auf die Substratrückseite emittierte Strahlung von der Bragg-Reflektor-Schichtenfolge in Richtung auf die Substratvorderseite reflektiert wird und somit ebenfalls genutzt werden kann.It may further be provided that in method step a) on the semiconductor substrate first a Bragg reflector layer sequence is applied, which is composed of a number of reflector layer pairs, each pair of individual layers having two layers with different refractive indices, and then the mask layer is applied to this Bragg reflector layer sequence. This has the advantage that the radiation emitted by the active, electroluminescent layer sequence in the direction of the substrate rear side is reflected by the Bragg reflector layer sequence in the direction of the substrate front side and thus can likewise be used.

Ferner können die einzelnen Lichtemissions-Halbleiterbauelemente auch als Vertikalresonator-Laserdioden (VCSELs) ausgebildet sein. In diesem Falle ist außer der bereits erwähnten substratseitigen Bragg-Reflektor-Schichtenfolge noch eine weitere lichtaustrittsseitige, teildurchlässige Bragg-Reflektor-Schichtenfolge vorgesehen. Durch die beiden Bragg-Reflektor-Schichtenfolgen wird ein Laserresonator für in dem pn-Übergang erzeugte Laserstrahlung gebildet.Further can the individual light-emitting semiconductor devices as vertical resonator laser diodes (VCSELs) may be formed. In this case, except the already mentioned substrate-side Bragg reflector layer sequence yet another Light exit side, partially transparent Bragg reflector layer sequence provided. Through the two Bragg reflector layer sequences becomes a laser resonator for in the pn junction generated laser radiation formed.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:in the Following are embodiments of the inventive method closer to the figures explained. Show it:

1 ein Zwischenprodukt des erfindungsgemäßen Verfahrens unmittelbar nach der Bildung der Fensteröffnungen in der Maskenschicht; 1 an intermediate product of the method according to the invention immediately after the formation of the window openings in the mask layer;

2 ein gemäß 1 fertiggestelltes Lichtemissions-Halbleiterbauelement; 2 one according to 1 finished light emitting semiconductor device;

3 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Lichtemissions-Halbleiterbauelements mit Bereichen unterschiedlicher Wellenlängenemission. 3 a plan view of an embodiment of a light emitting semiconductor device with regions of different wavelength emission.

Nach 1 wird auf ein Halbleitersubstrat 1 zunächst eine Bragg-Reflektor-Schichtenfolge 16 abgeschieden, auf die dann eine Maskenschicht 100 aufgebracht wird. Die Bragg-Reflektor-Schichtenfolge 16 dient dazu, das von einem elektrolumineszierenden pn-Übergang 21 (s. 2) in Richtung auf die Substratrückseite emittierte Licht zu reflektieren und auf die Substratvorderseite umzulenken, so daß dieser Lichtanteil ebenfalls für eine Vorderseitenemission genutzt werden kann. Die Maskenschicht 100, die beispielsweise aus SiO2 oder SiN bestehen kann, wird mittels Photolithographie- und Ätztechnik derart strukturiert, daß zylinderförmige Fensteröffnungen 200 unterschiedlicher Größe, z.B. unterschiedlichen Durchmessers, geformt werden. Die 1 zeigt somit einen Querschnitt entlang einer Ebene, die durch die Fensteröffnungen 200 ver läuft. Die Fensteröffnungen 200 weisen demnach in 1 kreisförmigen Querschnitt auf, wobei diese Wahl der Form keineswegs zwingend ist. Es können auch beispielsweise rechteckige Querschnittsformen gewählt werden.To 1 is on a semiconductor substrate 1 first a Bragg reflector layer sequence 16 deposited on the then a mask layer 100 is applied. The Bragg reflector layer sequence 16 serves to do this from an electroluminescent pn junction 21 (S. 2 ) to reflect light emitted towards the back of the substrate and to redirect it to the front of the substrate so that this portion of the light can also be used for front emission. The mask layer 100 , which may consist of SiO 2 or SiN, for example, is structured by means of photolithography and etching technique such that cylindrical window openings 200 different size, for example, of different diameters, are formed. The 1 thus shows a cross section along a plane through the window openings 200 ver runs. The window openings 200 accordingly in 1 circular cross-section, this choice of shape is by no means mandatory. It is also possible, for example, to choose rectangular cross-sectional shapes.

Die Bragg-Reflektor-Schichtenfolge 16 kann allerdings auch weggelassen werden, so daß die Maskenschicht 100 direkt auf das Substrat aufgebracht wird.The Bragg reflector layer sequence 16 However, it can also be omitted, so that the mask layer 100 is applied directly to the substrate.

In den Fensteröffnungen 200 der Maskenschicht 100 wird anschließend mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie eine Halbleiterschichtenfolge aufgewachsen.In the window openings 200 the mask layer 100 Subsequently, a semiconductor layer sequence is grown by means of metal-organic vapor phase epitaxy.

Das Ausführungsbeispiel eines in 2 dargestellten fertigprozessierten LED-Chips 20 weist somit eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Strahlungsauskoppelelementen 5 auf. Jedes der Strahlungsauskoppelelemente 5 weist die Form eines Zylinders 6 auf, dessen Längsmittelachse (AZ) parallel zu einer Hauptabstrahlrichtung 9 des LED-Chips 20 liegt.The embodiment of an in 2 illustrated finished processed LED chips 20 thus has a plurality of juxtaposed radiation decoupling elements 5 on. Each of the radiation decoupling elements 5 has the shape of a cylinder 6 on, whose longitudinal central axis (AZ) parallel to a main emission direction 9 of the LED chip 20 lies.

Unter der Hauptabstrahlrichtung 9 des LED-Chips 20 ist diejenige Richtung zu verstehen, in der ein Großteil der in dem Chip 20 erzeugten elektromagnetischen Strahlung 3 aus diesem austritt.Under the main direction of radiation 9 of the LED chip 20 is the one to understand the direction in which much of the in the chip 20 generated electromagnetic radiation 3 out of this exit.

In jedem der Zylinder 6 ist über der Bragg-Reflektor-Schicht 16 eine aktive Schichtenfolge 2 mit einer Emissionszone 4 angeordnet, der in Hauptabstrahlrichtung 9 zunächst eine Stromaperturschicht 14 mit einer Stromdurchlaßöffnung 15 und dieser wiederum eine Kontaktschicht 17 nachgeordnet ist.In each of the cylinders 6 is above the Bragg reflector layer 16 an active layer sequence 2 with an emission zone 4 arranged in the main emission direction 9 first a current aperture layer 14 with a current passage opening 15 and this in turn a contact layer 17 is subordinate.

Die aktive Schichtenfolge 2 weist mindestens einen elektrolumineszierenden pn-Übergang 21 auf und besteht beispielsweise aus InGaAlP.The active layer sequence 2 has at least one electroluminescent pn junction 21 on and consists for example of InGaAlP.

Auf der von der aktiven Schichtenfolge 2 abgewandten Seite des Substrats 1 ist ganzflächig eine Kontaktmetallisierung 19 aufgebracht.On the of the active layer sequence 2 opposite side of the substrate 1 is contact metallization over the entire surface 19 applied.

Die Stromaperturschicht 14 dient dazu, den Stromfluß durch die aktive Schichtenfolge 2 und damit durch den elektrolumineszierenden pn-Übergang 21 auf den Bereich der gewünschten Emissionszone 4 einzugrenzen. Sie besteht beispielsweise aus AlAs und ist bis auf die Stromdurchlaßöffnung 15 oxidiert, d.h. elektrisch isolierend, jedoch für die in der Emissionszone 4 erzeugte Strahlung durchlässig.The current aperture layer 14 serves to control the current flow through the active layer sequence 2 and thus by the electroluminescent pn junction 21 to the area of the desired emission zone 4 narrow. It consists for example of AlAs and is down to the Stromdurchlaßöffnung 15 oxidized, ie electrically insulating, but for those in the emission zone 4 generated radiation permeable.

Auf der Deckfläche 10 jedes Zylinders 6 befindet sich ein Ringkontakt 11, der im wesentlichen nur denjenigen Bereich des Zylinders 6 bedeckt, durch den aufgrund Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen Zylinder 6 und dem umgebenden Medium nur wenig oder gar keine Strahlung ausgekoppelt werden würde. Die Ringkontakte 11 der einzelnen Zylinder 6 können untereinander durch elektrisch leitende Stege verbunden sein.On the top surface 10 every cylinder 6 there is a ring contact 11 essentially only that portion of the cylinder 6 covered by the total internal reflection at the interface between cylinders 6 and little or no radiation would be coupled out to the surrounding medium. The ring contacts 11 the single cylinder 6 can be interconnected by electrically conductive webs.

Ein wesentliches Element der Erfindung besteht darin, daß in dem Epitaxieschritt des Aufwachsens der Halbleiterschichtenfolge die Komponenten der Halbleiterverbindung in Abhängigkeit von der Größe der Fensteröffnung 200 mit unterschiedlichen Anteilen in das Kristallgitter eingebaut werden. Dies führt dazu, daß jeder der Zylinder 6 im Bereich des elektrolumineszierenden pn-Übergangs 21 aus verschiedenem Halbleitermaterial gebildet ist, so daß die pn-Übergänge 21 unterschiedliche Bandlücken aufweisen. Im Falle der ternären Halbleiterverbindung GaInAs oder der quarternären Halbleiterverbindung GaAlInAs wird mit zunehmender Fenstergröße mehr Ga im Verhältnis zu In in das Gitter eingebaut. Dies führt in jedem Fall zu einer Vergrößerung der Bandlücke und somit zu einer Verringerung der Emissionswellenlänge. Bei dieser Materialwahl werden demnach durch die drei dargestellten Strahlungsauskoppelelemente 5 drei unterschiedliche Emissionswellenlän gen auftreten, wobei in der Darstellung der 2 die Wellenlänge von rechts nach links zunimmt.An essential element of the invention be is that in the epitaxy step of the growth of the semiconductor layer sequence, the components of the semiconductor compound in dependence on the size of the window opening 200 be incorporated with different proportions in the crystal lattice. This causes each of the cylinders 6 in the region of the electroluminescent pn junction 21 is formed of different semiconductor material, so that the pn junctions 21 have different band gaps. In the case of the ternary semiconductor compound GaInAs or the quaternary semiconductor compound GaAlInAs, with increasing window size, more Ga is incorporated in the lattice relative to In. In any case, this leads to an increase in the band gap and thus to a reduction in the emission wavelength. Accordingly, with this choice of material, the three radiation decoupling elements illustrated are used 5 three different emission wavelengths occur, the representation of 2 the wavelength increases from right to left.

Der Einbau der verschiedenen Komponenten der Halbleiterverbindungen hängt wesentlich von dem Diffusionsverhalten auf dem Maskenmaterial ab. Wenn dieses bekannt ist, kann durch Experimente leicht herausgefunden werden, wie bei einer gegebenen Halbleiterverbindung die Größe der Fensteröffnung 200 gewählt werden muß, um ein bestimmtes Zusammensetzungsverhältnis einer aktiven elektrolumineszierenden Schichtenfolge zu erzielen. Dann kann durch Zusammenstellen einer Anzahl verschiedener Fensteröffnungen auf einem Chip eine gewünschte Anzahl entsprechender Emissionswellenlängen erzielt werden.The incorporation of the various components of the semiconductor compounds depends essentially on the diffusion behavior on the mask material. If this is known, it can easily be found by experiment, as with a given semiconductor compound, the size of the window opening 200 must be selected to achieve a certain composition ratio of an active electroluminescent layer sequence. Then, by composing a number of different window openings on a chip, a desired number of corresponding emission wavelengths can be achieved.

Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen LED-Chip 20, bei dem lediglich im unteren Bereich eine Bragg-Reflektor-Schichtenfolge 16 vorhanden ist, die allen Strahlungsauskoppelelementen 5 gemeinsam ist. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, daß oberhalb des pn-Übergangs 21 eine weitere Bragg-Reflektor-Schichtenfolge vorgesehen ist, welche teildurchlässig ist und mit der erstgenannten Bragg-Reflektor-Schichtenfolge 16 einen Laserresonator bildet. Auf diese Weise wird eine Vertikalresonator-Laserdiode (VCSEL) gebildet, die aus einer Mehrzahl einzelner lateral monolithisch integrierter Laserdioden aufgebaut ist.This in 2 illustrated embodiment shows an LED chip 20 in which only in the lower area a Bragg reflector layer sequence 16 is present, the all radiation decoupling elements 5 is common. However, it may also be provided that above the pn junction 21 a further Bragg reflector layer sequence is provided, which is partially transparent and with the first-mentioned Bragg reflector layer sequence 16 forms a laser resonator. In this way, a vertical cavity laser diode (VCSEL) is formed, which is composed of a plurality of individual laterally monolithically integrated laser diodes.

In 3 ist schließlich noch eine praktische Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hierin wird ein LED-Chip in vier Quadranten aufgeteilt, die jeweils eine Mehrzahl von Strahlungsauskoppelelementen 5A–D aufweisen, die innerhalb eines Quadranten gleichen Durchmesser und zwischen den Quadranten unterschiedlichen Durchmesser aufweisen. Innerhalb eines Quadranten ist somit im Betrieb die Emissionswellenlänge konstant, während sie von Quadrant zu Quadrant variiert. Die Strahlungsauskoppelelemente 5 jedes Quadranten sind elektrisch untereinander mit Hilfe der be reits beschriebenen Ringkontakte 11 verbunden, die auf der Deckfläche 10 eines jeden Zylinders 6 aufgebracht sind.In 3 Finally, a practical embodiment according to the present invention is shown. Herein, an LED chip is divided into four quadrants, each having a plurality of radiation decoupling elements 5A -D have within a quadrant of equal diameter and between the quadrants have different diameters. Thus, within one quadrant, the emission wavelength is constant in operation while varying from quadrant to quadrant. The radiation decoupling elements 5 Each quadrant are electrically with each other using the already described ring contacts 11 connected to the top surface 10 of every cylinder 6 are applied.

Wie dargestellt, enthält der Quadrant D die Zylinder 6 mit dem größten Querschnitt, während der Quadrant A die Zylinder 6 mit dem kleinsten Querschnitt enthält. Falls wiederum solche Halbleitermaterialien verwendet werden, bei deren epitaktischem Aufwachsen die Emissionswellenlänge des jeweiligen pn-Übergangs mit zunehmender Größe der Fensteröffnung 200 und somit des Zylinders 6 abnimmt, so stellt sich im Betrieb die kürzeste Emissionswellenlänge im Quadranten D und die längste Emissionswellenlänge im Quadranten A ein.As shown, the quadrant D contains the cylinders 6 with the largest cross section, while the quadrant A is the cylinder 6 Contains the smallest cross-section. In turn, if such semiconductor materials are used, in their epitaxial growth, the emission wavelength of the respective pn junction with increasing size of the window opening 200 and thus of the cylinder 6 During operation, the shortest emission wavelength in the quadrant D and the longest emission wavelength in the quadrant A are established.

11
HalbleitersubstratSemiconductor substrate
22
aktive Schichtenfolgeactive layer sequence
33
elektromagnetische Strahlungelectromagnetic radiation
44
Emissionszoneemission zone
55
StrahlungsauskoppelelementStrahlungsauskoppelelement
5A–D5A-D
Quadrantenquadrant
66
Zylindercylinder
99
Hauptabstrahlrichtungmain radiation
1010
Deckflächecover surface
1111
Ringkontaktring Contact
1414
Stromaperturschichtcurrent aperture
1515
Stromdurchlaßöffnungcurrent passage
1616
Bragg-Reflektor-SchichtenfolgeBragg reflector layer sequence
1717
Kontaktschichtcontact layer
1919
Kontaktmetallisierungcontact metallization
2020
LED-ChipLED chip
2121
pn-Übergangpn junction
100100
Maskenschichtmask layer
200200
Fensteröffnungwindow opening

Claims (9)

Verfahren zur Herstellung eines eine sichtbare mischfarbige Strahlung aussendenden Halbleiterchips, bei dem a) auf ein Halbleitersubstrat (1) eine Maskenschicht (100) aufgebracht wird, b) in die Maskenschicht (100) eine Anzahl von Fensteröffnungen (200) unterschiedlicher Größe geformt wird, c) die Maskenschicht (100) und die Fensteröffnungen (200) durch metallorganische Gasphasenepitaxie derart mit metallorganischen Verbindungen beaufschlagt werden, daß in den Fensteröffnungen (200) jeweils eine aktive Halbleiterschichtenfolge (2) aus ternärem oder quarternärem Material enthaltend einen pn-Übergang (21) aufgewachsen wird, wobei die Halbleiterschichtenfolgen (2) in den Fensteröffnungen (200) jeweils mit denselben Materialkomponenten aber mit unterschiedlichen Zusammensetzungen des ternären oder quarternären Materials gebildet werden, wobei die im Verfahrensschritt a) aufgebrachte Maskenschicht (100) eine Mehrzahl von Teilbereichen (A–D) aufweist, in denen jeweils eine Gruppe von gleich großen Fensteröffnungen (200) ausgebildet wird und die Teilbereiche untereinander verschieden große Fensteröffnungen (200) aufweisen, so daß die aktiven Halbleiterschichtenfolgen der verschiedenen Gruppen mit unterschiedlichen Wellenlängen emittieren.Method for producing a visible mixed-color radiation-emitting semiconductor chip, in which a) on a semiconductor substrate ( 1 ) a mask layer ( 100 ), b) in the mask layer ( 100 ) a number of window openings ( 200 ) of different sizes, c) the mask layer ( 100 ) and the window openings ( 200 ) are acted upon by organometallic gas phase epitaxy with organometallic compounds such that in the window openings ( 200 ) an active semiconductor layer sequence ( 2 ) of ternary or quaternary material containing a pn junction ( 21 ), wherein the semiconductor layer sequences ( 2 ) in the window openings ( 200 ) each with the same material components but with different compositions of the ternary or quaternary material, the mask layer applied in process step a) ( 100 ) has a plurality of subregions (A-D), in each of which a group of equal size window openings ( 200 ) is formed and the subregions mutually different sized window openings ( 200 ) so that the active semiconductor layer sequences emit the different groups of different wavelengths. Verfahren zur Herstellung eines eine sichtbare mischfarbige Strahlung aussendenden Halbleiterchips, bei dem a) auf ein Halbleitersubstrat (1) eine Maskenschicht (100) aufgebracht wird, b) in die Maskenschicht (100) eine Anzahl von Fensteröffnungen (200) unterschiedlicher Größe geformt wird, c) die Maskenschicht (100) und die Fensteröffnungen (200) durch metallorganische Gasphasenepitaxie derart mit metallorganischen Verbindungen beaufschlagt werden, daß in den Fensteröffnungen (200) jeweils eine aktive Halbleiterschichtenfolge (2) aus Material, das auf GaN, InN, AlN und allen Mischverbindungen daraus basiert, enthaltend einen pn-Übergang (21) aufgewachsen wird, wobei die Halbleiterschichtenfolgen (2) in den Fensteröffnungen (200) jeweils mit denselben Materialkomponenten aber mit unterschiedlichen Zusammensetzungen ternären oder quaternären Materials gebildet werden, wobei die im Verfahrensschritt a) aufgebrachte Maskenschicht (100) eine Mehrzahl von Teilbereichen (A–D) aufweist, in denen jeweils eine Gruppe von gleich großen Fensteröffnungen (200) ausgebildet wird und die Teilbereiche untereinander verschieden große Fensteröffnungen (200) aufweisen, so daß die aktiven Halbleiterschichtenfolgen der verschiedenen Gruppen mit unterschiedlichen Wellenlängen emittieren.Method for producing a visible mixed-color radiation-emitting semiconductor chip, in which a) on a semiconductor substrate ( 1 ) a mask layer ( 100 ), b) in the mask layer ( 100 ) a number of window openings ( 200 ) of different sizes, c) the mask layer ( 100 ) and the window openings ( 200 ) are acted upon by organometallic gas phase epitaxy with organometallic compounds such that in the window openings ( 200 ) an active semiconductor layer sequence ( 2 of material based on GaN, InN, AlN and all mixed compounds thereof containing a pn junction ( 21 ), wherein the semiconductor layer sequences ( 2 ) in the window openings ( 200 ) are each formed with the same material components but with different compositions of ternary or quaternary material, the mask layer applied in process step a) ( 100 ) has a plurality of subregions (A-D), in each of which a group of equal size window openings ( 200 ) is formed and the subregions mutually different sized window openings ( 200 ) so that the active semiconductor layer sequences emit the different groups of different wavelengths. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Material des Halbleitersubstrats (1) auf InP basiert und die strahlungsemittierende Zone GaInAs oder GaInAsP aufweist.Method according to Claim 1, in which the material of the semiconductor substrate ( 1 ) is based on InP and the radiation-emitting zone comprises GaInAs or GaInAsP. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – das Material des Halbleitersubstrats (1) auf ZnO, Si, Saphir mit AlC-Flächenorientierung, SiC, GaN, AlN, AlxGa1-xN, GaxIn1-xN basiert und – das Material der Halbleiterschichtenfolgen auf GaAsN, InAsN, AlAsN, GaPN, InPN, AlPN und allen Mischverbindungen daraus basiert.Method according to claim 1, in which - the material of the semiconductor substrate ( 1 ) based on ZnO, Si, sapphire with AlC surface orientation, SiC, GaN, AlN, Al x Ga 1 -xN, Ga x In 1-x N, and - the material of the semiconductor layer sequences on GaAsN, InAsN, AlAsN, GaPN, InPN , AlPN and all mixed compounds thereof. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Material der Maskenschicht (100) SiO2 oder eine Silicium-Nitrid-Verbindung SiXN1-X aufweist.Method according to one of the preceding claims, in which the material of the mask layer ( 100 ) SiO 2 or a silicon nitride compound Si X N 1-X . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem – vor dem Verfahrensschritt a) auf das Halbleitersubstrat (1) zunächst eine Bragg-Reflektor-Schichtenfolge (16), bestehend aus einer Anzahl von Reflektorschichtenpaaren von Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex, aufgebracht wird, und – auf der Bragg-Reflektor-Schichtenfolge (16) die Maskenschicht (100) aufgebracht wird.Method according to one of the preceding claims, in which - before the method step a) on the semiconductor substrate ( 1 ) first a Bragg reflector layer sequence ( 16 ), consisting of a number of reflector layer pairs of layers with different refractive index, is applied, and - on the Bragg reflector layer sequence ( 16 ) the mask layer ( 100 ) is applied. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Fensteröffnungen (200) zylindrische Form aufweisen.Method according to one of the preceding claims, in which the window openings ( 200 ) have a cylindrical shape. Mischfarbiges Licht emittierender Lumineszenzdiodenchip (20), bei dem auf einem gemeinsamen Epitaxiesubstrat (1) eine Mehrzahl von voneinander getrennten Lumineszenzdioden-Schichtenfolgen (2) nebeneinander aufgewachsen sind, deren strahlungsemittierenden Zonen (4) ternäres oder quarternäres Material aufweisen und die gleichzeitig mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie in unterschiedlich großen Fensteröffnungen (200) einer Maskenschicht (100) abgeschieden sind, so daß alle Lumineszenzdioden-Schichtenfolgen (2) dieselben Materialkomponenten aufweisen und die Zusammensetzungen des ternären oder quarternären Materials der strahlungsemittierenden Zonen (4) abhängig von der Größe der Fensteröffnungen (200) unterschiedlich sind und im Betrieb Licht unterschiedlicher Farbe aussenden, wobei auf dem Substrat (1) eine Mehrzahl von nebeneinander liegenden Teilbereichen (A–D) vorgesehen ist, in denen jeweils eine Gruppe von gleich großen Lumineszenzdioden-Schichtenfolgen (2) ausgebildet ist, und die Teilbereiche untereinander verschieden große Lumineszenzdioden-Schichtenfolgen (2) aufweisen, so daß die verschiedenen Gruppen mit unterschiedlichen Wellenlängen emittieren.Mixed-color light-emitting luminescence diode chip ( 20 ), in which on a common epitaxial substrate ( 1 ) a plurality of separate luminescence diode layer sequences ( 2 ) are grown side by side, whose radiation-emitting zones ( 4 ) have ternary or quaternary material and at the same time by means of organometallic gas phase epitaxy in different sized window openings ( 200 ) a mask layer ( 100 ) are deposited, so that all luminescence diode layer sequences ( 2 ) have the same material components and the compositions of the ternary or quaternary material of the radiation-emitting zones ( 4 ) depending on the size of the window openings ( 200 ) are different and in operation emit light of different color, wherein on the substrate ( 1 ) is provided a plurality of juxtaposed partial areas (A-D), in each of which a group of the same size Lumineszenzdioden layer sequences ( 2 ), and the subregions have mutually different luminescence diode layer sequences ( 2 ) so that the different groups emit at different wavelengths. Lumineszenzdiodenchip nach Anspruch 8, bei dem auf einem gemeinsamen Substrat (1) eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Lumineszenzdioden-Schichtenfolgen (2) in Form von Strahlungsauskoppelelementen (5) angeordnet ist, deren Längsmittelachsen (AZ) parallel zu einer Hauptabstrahlrichtung (9) des Lumineszenzdiodenchips (20) liegen, wobei in jedem Strahlungsauskoppelelement (5) eine aktive Schichtenfolge (2) mit einer strahlungsemittierenden Zone (4) angeordnet ist, der eine Stromaperturschicht (14) mit einer Stromdurchlaßöffnung (15) zugeordnet ist, die den Stromfluß auf den Bereich der gewünschten strahlungsemittierenden Zone (4) eingrenzt.Luminescence diode chip according to Claim 8, in which, on a common substrate ( 1 ) a plurality of adjacent luminescence diode layer sequences ( 2 ) in the form of radiation decoupling elements ( 5 ) is arranged, whose longitudinal center axes (AZ) parallel to a main radiation direction ( 9 ) of the LED chip ( 20 ), wherein in each radiation decoupling element ( 5 ) an active layer sequence ( 2 ) with a radiation-emitting zone ( 4 ) having a current aperture layer ( 14 ) with a current passage opening ( 15 ), which regulates the flow of current to the region of the desired radiation-emitting zone ( 4 ) limited.
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