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Die
vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterchips
und einen Halbleiterchip.
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Beim
Betrieb von Halbleiterchips können Verlustprozesse zu einer
starken Erwärmung des Halbleiterchips führen.
Beispielsweise können bei einem optisch gepumpten Halbleiterlaser,
etwa einem VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser),
in dem für die Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven
Bereich Temperaturerhöhungen von über 150° auftreten.
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In
dem Halbleiterchip kann dies zu einem Brechungsindexgradienten führen,
was eine meist unerwünschte Ausbildung einer so genannten
"thermischen Linse" hervorrufen kann. Weiterhin können starke
Temperatursteigerungen des Halbleiterlasers bewirken, dass die optische
Ausgangsleistung des Halbleiterlasers bei einer Steigerung der Pumpleistung
nicht weiter zunimmt (thermisches Überrollen).
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Es
ist eine Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, mit dem Halbleiterchips
hergestellt werden können, bei denen im aktiven Bereich
erzeugte Wärme verbessert abgeführt werden kann.
Weiterhin soll ein Halbleiterchip mit, insbesondere hinsichtlich
der Wärmeabfuhr, verbesserten Eigenschaften angegeben werden.
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Diese
Aufgaben werden durch ein Herstellungsverfahren beziehungsweise
durch einen Halbleiterchip gemäß den unabhängigen
Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Gemäß einer
Ausführungsform wird bei einem Verfahren zur Herstellung
einer Mehrzahl von Halbleiterchips eine Mehrzahl von Halbleiterkörpern auf
einem Substrat bereitgestellt, wobei die Halbleiterkörper
durch Zwischenräume voneinander beabstandet sind. Ein strukturierter
Träger wird bereitgestellt, der eine Mehrzahl von Erhebungen
aufweist. Der strukturierte Träger wird relativ zu dem
Substrat derart positioniert, dass sich die Erhebungen des strukturierten
Trägers in die Zwischenräume zwischen den Halbleiterkörpern
hinein erstrecken. Ein mechanisch stabiler Verbund wird hergestellt,
der das Substrat und den strukturierten Träger umfasst. Der
Verbund wird in eine Mehrzahl von Halbleiterchips vereinzelt.
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Das
Verfahren muss hierbei nicht notwendigerweise in der oben genannten
Reihenfolge durchgeführt werden.
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Durch
das Verfahren können vereinfacht Halbleiterchips hergestellt
werden, die einen Teil des strukturierten Trägers und zweckmäßigerweise
jeweils einen Halbleiterkörper umfassen. Mittels des strukturierten
Trägers wird ein Chipträger gebildet, der den
Halbleiterkörper mechanisch stabilisiert.
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Die
Erhebungen sind insbesondere zur mechanischen Stabilisierung der
Chipträger vorgesehen. Im Bereich zwischen den Erhebungen,
also in den Bereichen, in denen die Halbleiterkörper befestigt
werden, können die Chipträger besonders dünn ausgeführt
werden. So können Halbleiterchips hergestellt werden, bei
denen der thermische Widerstand des Chipträgers verringert
ist, wodurch die im Betrieb des Halbleiterchips erzeugte Wärme
verbessert aus dem Halbleiterkörper abgeführt
werden kann. Die Effizienz der Strahlungserzeugung kann so gesteigert
werden. Weiterhin kann die Gefahr einer Ausbildung einer thermischen
Linse in dem Halbleiterkörper verringert werden.
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Ferner
wird durch die Erhebungen eine ausreichende Stabilität
gewährleistet, sodass die Halbleiterchips zuverlässig
montiert werden können. Die Montage der Halbleiterchips
kann beispielsweise in einem Gehäuse für ein optoelektronisches
Bauelement oder auf einem Montageträger, etwa einer Leiterplatte,
erfolgen.
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Die
Halbleiterkörper weisen vorzugsweise jeweils eine Halbleiterschichtenfolge
auf, die weiterhin bevorzugt einen zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen
aktiven Bereich umfasst. Die Halbleiterschichtenfolge wird vorzugsweise
epitaktisch, etwa mittels MBE oder MOVPE, abgeschieden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist der strukturierte Träger
mittels der Erhebungen gitterartig strukturiert ausgebildet. Dies
ist insbesondere bei einer matrixförmigen Anordnung der
Halbleiterchips auf dem Substrat zweckmäßig.
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Das
Vereinzeln des Verbunds erfolgt vorzugsweise im Bereich der Erhebungen
des strukturierten Trägers. Auf diese Weise kann ein Halbleiterchip
mit einem Chipträger hergestellt werden, bei dem der Chipträger
im Randbereich eine erhöhte Dicke aufweist. Mit anderen
Worten kann der Chipträger eine rahmenartig ausgebildete
Verstärkung aufweisen, die den Halbleiterkörper
in lateraler Richtung, vorzugsweise vollständig, umlaufen
kann. Ein geringer thermischer Widerstand des Chipträgers
bei gleichzeitig guter mechanischer Stabilität kann so vereinfacht
erzielt werden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung werden die Erhebungen durch bereichsweises
Entfernen des Trägermaterials zwischen den Erhebungen ausgebildet.
Bevorzugt erfolgt das Ausbilden der Erhebungen mittels Mikrostrukturierung,
etwa mechanisch, beispielsweise mittels Sägens, oder chemisch,
beispielsweise mittels nasschemischen oder trockenchemischen Ätzens.
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Der
strukturierte Träger enthält vorzugsweise ein
Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit. Weiterhin
ist das Trägermaterial vorzugsweise zuverlässig
und auf einfache Weise strukturierbar.
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Insbesondere
eignet sich ein Träger, der ein Halbleitermaterial enthält
oder aus einem Halbleitermaterial besteht. Gegenüber metallischen
Trägern zeichnet sich ein auf Halbleitermaterial basierender Träger
durch eine vereinfachte Strukturierbarkeit aus und kann weiterhin
vereinfacht gedünnt werden. Beispielsweise kann der strukturierte
Träger Silizium, Germanium oder Galliumarsenid enthalten
oder aus einem solchen Material bestehen. Insbesondere Silizium
zeichnet sich durch eine gute Mikrostrukturierbarkeit aus und ist
als großflächiges sowie kostengünstiges
Trägermaterial verfügbar.
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Vor
dem Vereinzeln weist der Verbund vorzugsweise eine Grenzfläche
auf, auf der die Halbleiterkörper angeordnet und weiterhin
bevorzugt befestigt sind. Die Erhebungen sind vorzugsweise auf derselben
Seite der Grenzfläche angeordnet wie die Halbleiterkörper.
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In
dem Verbund können die Erhebungen die Halbleiterkörper
in einer senkrecht zur Grenzfläche verlaufenden Richtung überragen.
Je größer die senkrechte Ausdehnung der Erhebungen
ist, desto stabiler kann der Halbleiterchip ausgeführt
werden, ohne hierbei den thermischen Widerstand des Chipträgers
zu vergrößern.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Verbund auf der den Halbleiterkörpern
abgewandten Seite der Grenzfläche gedünnt. Die
Dicke des Chipträgers unterhalb des Halbleiterkörpers
kann so noch im Verbund weiter verringert werden.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung beträgt die Ausdehnung
des Verbunds senkrecht zur Grenzfläche auf der den Halbleiterkörpern
abgewandten Seite nach dem Dünnen zwischen einschließlich
5 μm und einschließlich 70 μm, bevorzugt
zwischen einschließlich 10 μm und einschließlich
50 μm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich
10 μm und einschließlich 30 μm. Je geringer
die vertikale Ausdehnung des Chipträgers unterhalb des
Halbleiterkörpers ist, desto geringer ist der thermische
Widerstand des Chipträgers. Andererseits wird durch eine
größere Ausdehnung entlang dieser Richtung die
mechanische Stabilität des Chipträgers gefördert.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Ausdehnung des Verbunds
senkrecht zur Grenzfläche auf der den Halbleiterkörpern
zugewandten Seite der Grenzfläche nach dem Dünnen
größer als auf der den Halbleiterkörpern
abgewandten Seite. Durch das Dünnen können also
Halbleiterchips hergestellt werden, bei denen der Chipträger
im Bereich des Halbleiterkörpers eine besonders geringe
Dicke aufweist, und gleichzeitig der Chipträger aufgrund
der auf der dem Halbleiterkörper zugewandten Seite der
Grenzfläche vergleichsweise großen vertikalen
Ausdehnung eine hohe mechanische Stabilität besitzt.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung ist die Ausdehnung des Verbunds
senkrecht zur Grenzfläche auf der dem Halbleiterkörper
zugewandten Seite der Grenzfläche nach dem Dünnen
mindestens 1,5-mal so groß, besonders bevorzugt mindestens doppelt
so groß, wie auf der dem Halbleiterkörper abgewandten
Seite. Die mechanische Stabilität des Chipträgers
bei gleichzeitig guter Wärmeabfuhr kann so weiter gesteigert
werden.
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In
einer Ausgestaltungsvariante wird die Grenzfläche mittels
des strukturierten Trägers gebildet. Die Halbleiterkörper
sind also auf dem strukturierten Träger angeordnet.
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Weiterhin
können die mittels des strukturierten Trägers
gebildeten Chipträger jeweils einstückig ausgeführt
sein.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung sind die Erhebungen beim Herstellen
des Verbunds von dem Substrat beabstandet. Die Positionierung des
Substrats mit den Halbleiterkörpern relativ zum strukturierten
Träger kann also derart erfolgen, dass die Halbleiterkörper
an der Grenzfläche befestigt werden, wobei sich die Erhebungen
nicht vollständig in die Zwischenräume des Substrats
hinein erstrecken. Es verbleibt also ein Freiraum zwischen den Erhebungen des
strukturierten Trägers und dem Substrat im Bereich der
Zwischenräume. Im Verbund kann die mechanische Verbindung
von Substrat und strukturiertem Träger demnach ausschließlich über
die Halbleiterkörper erfolgen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung werden die Zwischenräume
vor dem Positionieren des strukturierten Trägers relativ
zu dem Substrat so ausgebildet, dass sich diese Zwischenräume
in das Substrat hinein erstrecken. Das Substrat ist beim Ausbilden des
Verbunds also bereits vorstrukturiert. Bevorzugt erstrecken sich
die Zwischenräume mindestens 10 μm, besonders
bevorzugt mindestens 20 μm, in das Substrat hinein.
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Das
Substrat kann das Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge
sein. Die Zwischenräume erstrecken sich also nicht nur
in die, vorzugsweise epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge des
Halbleiterkörpers, sondern auch in das Aufwachssubstrat
hinein.
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Die
laterale Anordnung der Zwischenräume und der Erhebungen
ist zweckmäßigerweise derart aneinander angepasst,
dass das Substrat und der strukturierte Träger kammartig
ineinander greifen können.
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Nach
dem Herstellen des Verbunds kann das Aufwachssubstrat zumindest
bereichsweise gedünnt oder entfernt werden. Die Halbleiterkörper
können hierbei mittels des strukturierten Trägers
mechanisch stabilisiert werden. Das Aufwachssubstrat ist hierfür nicht
mehr erforderlich.
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Ein
Halbleiterchip, bei dem das Aufwachssubstrat zumindest bereichsweise
gedünnt oder entfernt ist, wird auch als Dünnfilm-Halbleiterchip
bezeichnet.
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Ein
Dünnfilm-Halbleiterchip, etwa ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip,
kann sich weiterhin im Rahmen der vorliegenden Anmeldung durch mindestens eines
der folgenden charakteristischen Merkmale auszeichnen:
- – an einer zu einem Trägerelement, etwa dem Chipträger,
hin gewandten ersten Hauptfläche eines Halbleiterkörpers,
der eine Halbleiterschichtenfolge mit einem aktiven Bereich umfasst,
insbesondere einer Epitaxieschichtenfolge, ist eine Spiegelschicht
aufgebracht oder, etwa als Bragg-Spiegel in der Halbleiterschichtenfolge
integriert, ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Halbleiterschichtenfolge
erzeugten Strahlung in diese zurückreflektiert;
- – die Halbleiterschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich
von 20 μm oder weniger, insbesondere im Bereich von 10 μm
auf; und/oder
- – die Halbleiterschichtenfolge enthält mindestens eine
Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine
Durchmischungsstruktur aufweist, die vorzugsweise als optische Durchmischungsstruktur
ausgeführt ist und die weiterhin im Idealfall zu einer
annähernd ergodischen Verteilung des Lichtes in der Halbleiterschichtenfolge
führt, d. h. sie weist ein möglichst ergodisch
stochastisches Streuverhalten auf.
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Ein
Grundprinzip eines Dünnfilm-Leuchtdiodenchips ist beispielsweise
in I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober
1993, 2174–2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt
insofern hiermit durch Rückbezug in die vorliegende Anmeldung aufgenommen
wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird der strukturierte
Träger im Verbund derart gedünnt, dass die Dicke
des strukturierten Trägers im Bereich zwischen den Erhebungen
zwischen einschließlich 5 μm und einschließlich
70 μm, bevorzugt zwischen einschließlich 10 μm
und einschließlich 50 μm, besonders bevorzugt
zwischen einschließlich 10 μm und einschließlich
30 μm, beträgt. Die für die Wärmeabfuhr
im Betrieb der Halbleiterchips maßgebliche Dicke des strukturierten
Trägers kann durch das Dünnen verringert werden,
wodurch die Leistungsfähigkeit der Halbleiterchips gesteigert
werden kann.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung wird vor dem Herstellen des mechanisch
stabilen Verbunds auf die Halbleiterkörper und/oder auf
die Grenzfläche, etwa auf den strukturierten Träger
zwischen den Erhebungen, eine Verbindungsschicht aufgebracht. Die
Verbindungsschicht kann beispielsweise ein Lot oder ein Klebemittel
enthalten.
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Weitergehend
kann zwischen der Grenzfläche und den Halbleiterkörpern
eine Benetzungsschicht vorgesehen sein. Durch die Benetzungsschicht
kann eine mechanisch stabile Befestigung der Halbleiterkörper
vereinfacht erzielt werden. Insbesondere kann auf die Halbleiterkörper
die Verbindungsschicht und auf die Grenzfläche die Benetzungsschicht
aufgebracht werden oder umgekehrt.
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In
einer alternativen Ausgestaltungsvariante wird die Grenzfläche
mittels des Substrats gebildet. In diesem Fall sind die Halbleiterkörper
vorzugsweise bereits vor dem Herstellen des mechanisch stabilen Verbunds
auf dem Substrat angeordnet und weiterhin bevorzugt an diesem befestigt.
Das Substrat ist hierbei vorzugsweise von dem Aufwachssubstrat für die
Halbleiterschichtenfolge verschieden. Nach der Befestigung der Halbleiterkörper
kann das Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge
bereichsweise oder vollständig entfernt oder gedünnt werden.
Die Halbleiterkörper können hierbei durch das
Substrat mechanisch stabilisiert werden.
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Das
Substrat enthält vorzugsweise ein Material mit einer hohen
thermischen Leitfähigkeit. Beispielsweise kann das Substrat
einen Halbleiter, etwa Silizium, Germanium oder Galliumarsenid enthalten oder
aus einem solchen Material bestehen.
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Alternativ
oder ergänzend kann das Substrat ein Metall, etwa Nickel,
Molybdän oder Tantal, enthalten oder aus Metall bestehen.
Ein solches Substrat kann sich bereits bei sehr geringen Dicken
durch eine hohe Stabilität auszeichnen.
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Weiterhin
kann das Substrat auch eine Keramik, etwa Aluminiumnitrid oder Bornitrid,
enthalten. Ein keramisches Material kann eine hohe mechanische Stabilität
bei gleichzeitig hoher thermischer Leitfähigkeit aufweisen.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung ist der strukturierte Träger
im Verbund im Bereich zwischen den Erhebungen von den Halbleiterkörpern
beabstandet. Der strukturierte Träger grenzt im Verbund also
nicht unmittelbar an die Halbleiterkörper an.
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Die
Erhebungen des strukturierten Trägers werden beim Herstellen
des Verbunds vorzugsweise stoffschlüssig mit dem Substrat
verbunden. Bei einer stoffschlüssigen Verbindung werden
die, bevorzugt vorgefertigten, Verbindungspartner mittels atomarer und/oder
molekularer Kräfte zusammengehalten. Bevorzugt ist die
stoffschlüssige Verbindung mittels einer Befestigungsschicht,
etwa eines Klebemittels oder eines Lots, gebildet.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung wird der strukturierte Träger
nach dem Herstellen des Verbunds im Bereich zwischen den Erhebungen
vollständig entfernt. Somit verbleiben nur die Erhebungen
des strukturierten Trägers im Verbund.
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Der
Chipträger kann mittels des Substrats und der an dem Substrat
mittels der Verbindungsschicht befestigten Erhebungen gebildet sein.
Mittels der mechanischen Stabilisierung durch die Erhebungen kann
der Chipträger derart ausgebildet werden, dass das Substrat,
auf dem der Halbleiterkörper angeordnet ist, weitgehend
gedünnt werden kann. Die Bruchgefahr für ein derart
dünnes Substrat wird mittels der Verstärkung durch
die Erhebungen vermindert.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung wird das Substrat im Verbund derart
gedünnt, dass die Dicke des Substrats zwischen einschließlich
5 μm und einschließlich 70 μm, bevorzugt
zwischen einschließlich 10 μm und einschließlich
50 μm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich
10 μm und einschließlich 30 μm, beträgt.
Die Dicke des Chipträgers unterhalb des Halbleiterchips
kann so auf einfache Weise verringert werden. Im Betrieb im Halbleiterkörper,
insbesondere im aktiven Bereich, erzeugte Wärme kann so
verbessert durch den Chipträger hindurch aus dem Halbleiterchip
abgeführt werden. Durch eine verbesserte Wärmeabfuhr
kann im Betrieb die Temperatur im Halbleiterkörper, insbesondere
im aktiven Bereich, gesenkt werden. Thermisch induzierte Verluste
bei der Strahlungserzeugung, etwa infolge von erhöhter
nichtstrahlender Rekombination, können so verringert werden.
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Weiterhin
kann das Ausbilden einer thermischen Linse im Halbleiterkörper
vermindert werden.
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Das
Dünnen des Verbunds, insbesondere das Dünnen des
Substrats und/oder das Dünnen des strukturierten Trägers,
und/oder gegebenenfalls das Entfernen oder Dünnen des Aufwachssubstrats
kann insbesondere mechanisch, etwa mittels Schleifens, Läppens
oder Polierens und/oder chemisch, etwa mittels nasschemischen oder
trockenchemischen Ätzens, erfolgen. Alternativ oder ergänzend
kann auch kohärente Strahlung Anwendung finden, beispielsweise
in einem Laser-Ablöseverfahren (laser lift-off, LLO).
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Ein
Halbleiterchip weist gemäß einer Ausführungsform
einen Halbleiterkörper und einen Chipträger mit
einer Grenzfläche auf. Auf der Grenzfläche ist der
Halbleiterkörper befestigt. Der Chipträger weist auf
der dem Halbleiterkörper zugewandten Seite der Grenzfläche
zumindest eine Erhebung auf, die den Halbleiterkörper in
einer zur Grenzfläche senkrechten Richtung überragt.
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Der
Halbleiterkörper weist vorzugsweise eine Halbleiterschichtenfolge
auf, die weiterhin bevorzugt einen aktiven Bereich umfasst.
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Die
Erhebung ist dafür vorgesehen, den Chipträger
mechanisch zu stabilisieren. Vorzugsweise ist die Erhebung derart
ausgebildet, dass der Chipträger im Bereich unterhalb des
Halbleiterkörpers eine geringe Dicke aufweist. Die Abfuhr
von im Betrieb des Halbleiterchips erzeugter Wärme durch den
Chipträger hindurch wird so verbessert.
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Im
Unterschied hierzu wäre bei einem ebenen Chipträger,
insbesondere bei einem auf Halbleitermaterial basierenden Chipträger,
gleicher Dicke eine ausreichende mechanische Stabilität
nicht mehr gewährleistet. Mittels der Erhebung kann also
die für die Wärmeabfuhr maßgebliche Dicke
des Chipträgers bei guter mechanischer Stabilität
weitergehend verringert werden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung umläuft die zumindest eine
Erhebung den Halbleiterchip in lateraler Richtung. Die Erhebung
kann also rahmenartig ausgeführt sein.
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Unterhalb
des Halbleiterkörpers beträgt eine Dicke des Chipträgers
vorzugsweise zwischen einschließlich 5 μm und
einschließlich 70 μm, besonders bevorzugt zwischen
einschließlich 10 μm und einschließlich
50 μm, am meisten bevorzugt zwischen einschließlich
10 μm und einschließlich 30 μm.
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Im
Unterschied hierzu beträgt die Dicke von herkömmlichen
ebenen Chipträgern, die auf Halbleitermaterial basieren,
mindestens 100 μm, um eine ausreichende mechanische Stabilität
zu gewährleisten. Im für die Wärmeabfuhr
maßgeblichen Bereich unterhalb des Halbleiterkörpers
ist die Dicke des beschriebenen Chipträgers gegenüber
den Randbereichen des Chipträgers verringert. Auch bei
gleicher Gesamthöhe des Chipträgers kann also
die Wärmeabfuhr aus dem Halbleiterkörper erheblich
verbessert werden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Ausdehnung des Chipträgers
senkrecht zur Grenzfläche auf der dem Halbleiterkörper
zugewandten Seite der Grenzfläche größer
als auf der dem Halbleiterkörper abgewandten Seite. Die mechanische
Stabilität des Chipträgers wird so vorwiegend
mittels der zumindest einen Erhebung erzielt, welche von der Grenzfläche
aus gesehen halbleiterkörperseitig angeordnet ist.
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Bevorzugt
ist die Ausdehnung des Chipträgers senkrecht zur Grenzfläche
auf der dem Halbleiterkörper zugewandten Seite der Grenzfläche
mindestens 1,5-mal so groß, besonders bevorzugt mindestens
doppelt so groß, wie die Ausdehnung des Chipträgers
auf der dem Halbleiterkörper abgewandten Seite der Grenzfläche.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt die maximale laterale
Ausdehnung der Erhebung im Querschnitt vorzugsweise zwischen einschließlich
50 μm und einschließlich 1 mm, besonders bevorzugt zwischen
einschließlich 100 μm und einschließlich 300 μm.
So kann eine geringe Größe des Chipträgers bei
gleichzeitig guter mechanischer Stabilität vereinfacht
erzielt werden.
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Der
Chipträger, insbesondere die Erhebung, enthält
vorzugsweise ein Halbleitermaterial, etwa Silizium, Germanium oder
Galliumarsenid oder besteht aus einem solchen Halbleitermaterial.
Insbesondere Silizium zeichnet sich durch eine gute Mikrostrukturierbarkeit
aus.
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In
einer Ausgestaltungsvariante weist der Chipträger zumindest
zwei Teile auf, die stoffschlüssig, insbesondere über
eine Befestigungsschicht, miteinander verbunden sind. Die Grenzfläche
verläuft vorzugsweise in einer Trennebene zwischen den
Teilen des Chipträgers. Der Chipträger kann beispielsweise
ein Trägerteil und ein Stabilisierungsteil aufweisen, wobei
eine Hauptfläche des Trägerteils die Grenzfläche
bildet, auf der der Halbleiterkörper angeordnet ist. Das,
vorzugsweise rahmenartig ausgeführte, Stabilisierungsteil
kann mittels der Erhebung gebildet und weiterhin auf derselben Hauptfläche
des Trägerteils angeordnet sein wie der Halbleiterchip.
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Das
Stabilisierungsteil und das Trägerteil können
bezüglich des Materials voneinander verschieden sein. So
kann beispielsweise das Material für das Stabilisierungsteil
hinsichtlich einer guten Strukturierbarkeit und das Material für
das Trägerteil hinsichtlich einer hohen thermischen Leitfähigkeit
gewählt werden. Vorzugsweise enthält das Stabilisierungsteil
eines der im Zusammenhang mit dem strukturierten Träger
genannten Halbleitermaterialien, insbesondere Silizium, oder besteht
aus einem solchen Material. Das Trägerteil kann insbesondere
eines der im Zusammenhang mit dem Substrat genannten Materialien,
etwa einen Halbleiter wie beispielsweise Germanium, eine Keramik
oder ein Metall enthalten oder aus einem solchen Material bestehen.
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Alternativ
können das Stabilisierungsteil und das Trägerteil
bezüglich des Materials gleichartig ausgeführt
sein.
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In
einer alternativen Ausgestaltungsvariante ist der Chipträger
einstückig ausgebildet. Auf eine Befestigungsschicht zwischen
dem Trägerteil und dem Stabilisierungsteil kann in diesem
Fall verzichtet werden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung weist die zumindest eine Erhebung
seitens des Halbleiterkörpers eine Seitenflanke auf, die
senkrecht zur Grenzfläche verläuft. Eine solche Seitenflanke
kann insbesondere mittels trockenchemischen Ätzens hergestellt
werden.
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Durch
die senkrechte Seitenflanke kann die laterale Ausdehnung des Chipträgers
bei gleicher Größe des Halbleiterkörpers
minimiert werden.
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Alternativ
kann die zumindest eine Erhebung seitens des Halbleiterkörpers
eine Seitenflanke aufweisen, die in einem von 90° verschiedenen
Winkel zur Grenzfläche verläuft. Vorzugsweise
verjüngt sich die Erhebung hierbei mit zunehmendem Abstand
zur Grenzfläche.
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Der
Winkel zur Grenzfläche beträgt vorzugsweise zwischen
einschließlich 30° und einschließlich 60°.
Eine derartige Seitenflanke ist insbesondere mittels nasschemischen Ätzens
auf einfache Weise herstellbar.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung weist der Chipträger auf
der dem Halbleiterkörper abgewandten Seite der Grenzfläche
eine Montagefläche auf, die für die Befestigung
des Halbleiterchips vorgesehen ist. Der Chipträger ist
also zwischen der Montagefläche und dem Halbleiterkörper
angeordnet.
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Der
Halbleiterchip ist vorzugsweise zur Erzeugung von Strahlung vorgesehen.
Hierbei kann der Halbleiterchip im Betrieb optisch gepumpt werden
oder bei Anliegen einer externen elektrischen Spannung Strahlung
erzeugen.
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Weiterhin
bevorzugt enthält der Halbleiterchip ein III–V-Verbindungshalbleitermaterial.
Solche Verbindungshalbleitermaterialien sind zur Erzeugung von Strahlung
vom ultravioletten über den sichtbaren bis in den infraroten
Spektralbereich besonders geeignet.
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Der
Halbleiterchip kann zur Erzeugung von kohärenter Strahlung
vorgesehen sein und beispielsweise als oberflächenemittierender
Halbleiterlaser, etwa als VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting
Laser), als VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser)
oder als Scheibenlaser (disk laser) ausgeführt sein. Weiterhin
kann der Halbleiterchip auch als kantenemittierender Halbleiterlaser
ausgebildet sein.
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Alternativ
oder ergänzend kann der Halbleiterchip auch zur Erzeugung
von inkohärenter Strahlung vorgesehen sein. Hierfür
kann der Halbleiterchip beispielsweise als Lumineszenzdiodenchip,
etwa als Leuchtdiodenchip (LED-Chip) ausgeführt sein.
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Für
die Erzeugung teilkohärenter Strahlung kann der Halbleiterchip
beispielsweise als RCLED-Chip (Resonant Cavity Light Emitting Diode) ausgeführt
sein.
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Das
weiter oben beschriebene Verfahren ist zur Herstellung des beschriebenen
Halbleiterchips besonders geeignet. Im Zusammenhang mit den Verfahren
beschriebene Merkmale können daher auch für den
Halbleiterchip herangezogen werden und umgekehrt.
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Weitere
Merkmale, vorteilhafte Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit den Figuren.
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Es
zeigen:
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Die 1A bis 1G ein
erstes Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur
Herstellung einer Mehrzahl von Halbleiterchips anhand von schematisch
in Schnittansicht dargestellten Zwischenschritten;
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die 2A bis 2F ein
zweites Ausführungsbeispiel für ein Verfahren
zur Herstellung einer Mehrzahl von Halbleiterchips anhand von schematisch
in Schnittansicht dargestellten Zwischenschritten;
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die 3A und 3B ein
erstes Ausführungsbeispiel für einen Halbleiterchip
in schematischer Schnittansicht (3A) sowie
in zugehöriger Aufsicht (3B); und
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die 4A und 4B ein
zweites Ausführungsbeispiel für einen Halbleiterchip
in schematischer Schnittansicht (4A) und
zugehöriger Aufsicht (4B).
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Gleiche,
gleichartige und gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit
gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die
Figuren sind jeweils schematische Darstellungen und daher nicht
unbedingt maßstabsgetreu. Vielmehr können vergleichsweise
kleine Elemente und insbesondere Schichtdicken zur Verdeutlichung übertrieben
groß dargestellt sein.
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In 1A ist
ein Ausschnitt eines Substrats 8 gezeigt, auf dem eine
Mehrzahl von Halbleiterkörpern 2 bereitgestellt
wird. In dem dargestellten Ausschnitt sind zwei Halbleiterkörper 2 nebeneinander angeordnet.
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Die
Halbleiterkörper 2 umfassen vorzugsweise jeweils
eine Halbleiterschichtenfolge. In der Halbleiterschichtenfolge kann
ein zur Erzeugung von Strahlung vorgesehener aktiver Bereich ausgebildet sein
(nicht explizit dargestellt). Die Halbleiterschichtenfolge wird
vorzugsweise epitaktisch, etwa mittels MOVPE oder MBE, hergestellt.
Das Substrat 8 kann hierbei als Aufwachssubstrat für
die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterkörpers 2 dienen.
Davon abweichend können die Halbleiterkörper aber
auch auf einem Substrat bereitgestellt werden, das von dem Aufwachssubstrat
verschieden ist.
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Die
Halbleiterkörper 2 sind durch Zwischenräume 25 in
lateraler Richtung voneinander beabstandet. Die Zwischenräume 25 strecken
sich halbleiterkörperseitig in das Substrat 8 hinein.
Die Zwischenräume können sich mindestens 10 μm,
bevorzugt mindestens 20 μm in das Substrat hinein erstrecken.
Die Zwischenräume 25 können insbesondere chemisch,
etwa mittels nasschemischen oder trockenchemischen Ätzens,
hergestellt werden. Auf der dem Substrat 8 abgewandten
Seite des Halbleiterkörpers 2 ist eine Verbindungsschicht 4 ausgebildet. Mittels
der Verbindungsschicht können die Halbleiterkörper
vereinfacht an einem Träger befestigt werden.
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Die
Verbindungsschicht 4 kann beispielsweise als eine Lotschicht
ausgeführt sein und kann weiterhin bevorzugt ein Metall,
etwa Gold, Zinn oder Indium, oder eine metallische Legierung, insbesondere mit
zumindest einem der genannten Metalle, enthalten.
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Weiterhin
ist in 1A ein Ausschnitt eines strukturierten
Trägers 33 dargestellt, der eine Mehrzahl von
Erhebungen 35 aufweist. Die Erhebungen werden vorzugsweise
durch Mikrostrukturierung hergestellt, wobei das Trägermaterial
eines vorzugsweise ebenen Trägers zwischen den Erhebungen
entfernt wird. Das Entfernen kann beispielsweise mechanisch und/oder
chemisch, etwa mittels nasschemischen oder trockenchemischen Ätzens,
erfolgen.
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Der
strukturierte Träger enthält bevorzugt ein Material,
das sich durch eine gute Mikrostrukturierbarkeit, gute thermische
Leitfähigkeit und/oder eine hohe mechanische Stabilität
auszeichnet, oder besteht aus einem solchen Material.
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Insbesondere
enthält der strukturierte Träger vorzugsweise
ein Halbleitermaterial oder besteht aus einem Halbleitermaterial.
Beispielsweise eignet sich Silizium, Germanium oder Galliumarsenid.
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Der
strukturierte Träger 33 weist eine Grenzfläche 30 auf,
die für die Befestigung der Halbleiterkörper 2 an
dem strukturierten Träger 33 vorgesehen ist. Auf
der Grenzfläche ist eine Benetzungsschicht 45 ausgebildet.
Mittels der Benetzungsschicht kann eine mechanisch stabile Befestigung
der Halbleiterkörper 2 an dem strukturierten Träger 33 vereinfacht hergestellt
werden. Die Benetzungsschicht 45 kann im Bereich zwischen
den Erhebungen 35 ausgebildet sein oder sich vollflächig über
den strukturierten Träger erstrecken.
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Wie
in 1B dargestellt, werden das Substrat 8 mit
den bereits ausgebildeten Zwischenräumen 25 zwischen
den Halbleiterkörpern 2 und der strukturierte
Träger derart zueinander positioniert, dass sich die Erhebungen 35 des
strukturierten Trägers 33 in die Zwischenräume 25 hinein
erstrecken. Das Substrat 8 und der strukturierte Träger 33 greifen also
kammartig ineinander. Mittels der Verbindungsschicht 4 wird
ein mechanisch stabiler Verbund 38 hergestellt, der den
strukturierten Träger 33 und das Substrat 8 umfasst.
Die Ausdehnung der Erhebungen 35 ist in vertikaler Richtung,
also in einer senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des strukturierten
Trägers 33 verlaufenden Richtung, derart an die
Zwischenräume 25 angepasst, dass die Erhebungen 35 im
Verbund von dem Substrat 8 beabstandet sind. Das Substrat 8 ist
also nur über die Halbleiterkörper 2 mit
dem strukturierten Träger 33 mechanisch verbunden.
Ein nachfolgendes Entfernen des Substrats 8 wird so vereinfacht.
-
Die
Erhebungen 35 werden also bereits vor dem Herstellen des
Verbunds 38 ausgebildet. Die Erhebungen können
halbleiterkörperseitig Seitenflanken 350 aufweisen,
die schräg zur Grenzfläche 30 verlaufen.
Bevorzugt beträgt der Winkel zur Grenzfläche zwischen
einschließlich 30° und einschließlich 60°.
Beispielsweise kann bei einem Träger aus Silizium mittels
anisotropen nasschemischen Ätzens auf einfache Weise ein
Winkel von etwa 54° hergestellt werden.
-
Nach
dem Herstellen des Verbunds kann, wie in den 1C und 1D dargestellt,
das Substrat 8 entfernt werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel
erfolgt das Entfernen zunächst, wie 1C zeigt,
in einem mechanischen Schritt, wobei das Substrat auf eine Restdicke
gedünnt wird. Das mechanische Dünnen kann beispielsweise
mittels Schleifens, Läppens oder Polierens erfolgen.
-
Der
verbleibende Teil des Substrats kann in einem nachfolgenden, vorzugsweise
chemischen, Schritt entfernt werden. Dies kann beispielsweise mittels
nasschemischen oder trockenchemischen Ätzens erfolgen.
Nach dem Entfernen des Substrats 8 sind benachbarte Halbleiterkörper 2 nur
noch über den strukturierten Träger 33 mechanisch
miteinander verbunden.
-
In
vertikaler Richtung überragen die Erhebungen 35 die
Halbleiterkörper 2. Der strukturierte Träger 33 dient
nunmehr der mechanischen Stabilisierung der Halbleiterkörper 2.
Das Substrat 8 ist hierfür nicht mehr erforderlich.
-
Auf
der den Halbleiterkörpern 2 abgewandten Seite
kann der strukturierte Träger 33 gedünnt werden.
Bevorzugt wird der strukturierte Träger derart gedünnt,
dass die Dicke des strukturierten Trägers im Bereich zwischen
den Erhebungen zwischen einschließlich 5 μm und
einschließlich 70 μm, bevorzugt zwischen einschließlich
10 μm und einschließlich 50 μm, am meisten
bevorzugt zwischen einschließlich 10 μm und einschließlich
30 μm, beträgt. Die Erhebungen 35 dienen
hierbei der mechanischen Stabilisierung des strukturierten Trägers.
Im Bereich unterhalb der Halbleiterkörper 2 kann
der strukturierte Träger somit auf eine Dicke gedünnt
werden, bei der eine ausreichende mechanische Stabilität
ohne die Erhebungen, also im Falle eines ebenen Trägers, nicht
mehr gewährleistet wäre.
-
Bezogen
auf die Grenzfläche 30 kann die Ausdehnung des
Verbunds 38 nach dem Dünnen auf der den Halbleiterkörpern 2 zugewandten
Seite größer sein als auf der den Halbleiterkörpern
abgewandten Seite. Bevorzugt ist die Ausdehnung des Verbunds senkrecht
zur Grenzfläche auf der dem Halbleiterkörper zugewandten
Seite der Grenzfläche nach dem Dünnen mindestens
1,5 Mal so groß, besonders bevorzugt mindestens doppelt
so groß, wie auf der den Halbleiterkörpern abgewandten
Seite.
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Auf
dem gedünnten strukturierten Träger 33 können
auf der den Halbleiterkörpern 2 abgewandten Seite
Montageschichten 6 ausgebildet werden. Hierbei weist vorzugsweise
jeder Bereich des Verbunds 38, aus dem ein Halbleiterchip
hervorgeht, jeweils eine Montageschicht auf. Die Montageschicht
ist für eine vereinfachte Befestigung der Halbleiterchips, beispielsweise
auf einer Leiterplatte, einer Wärmesenke oder in einem
Gehäuse für ein optoelektronisches Bauelement,
vorgesehen.
-
Die
Montageschicht enthält vorzugsweise ein Metall, beispielsweise
Gold, Platin, Titan, Silber, Aluminium oder Indium oder eine metallische
Legierung mit zumindest einem der genannten Materialien.
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Wie
in 1G dargestellt, wird der Verbund 38 in
eine Mehrzahl von separaten Halbleiterchips 1 vereinzelt.
Das Vereinzeln kann beispielsweise mittels Spaltens, Brechens oder
Sägens erfolgen. Auch ein chemisches Verfahren, etwa nasschemisches oder
trockenchemisches Ätzen, kann für das Vereinzeln
herangezogen werden.
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Das
Vereinzeln erfolgt hierbei in den Bereichen des strukturierten Trägers 33,
in dem die Erhebungen 35 ausgebildet sind. So kann eine
ausreichende mechanische Stabilität des strukturierten Trägers 33 auf
einfache Weise gewährleistet werden.
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Die
Befestigung der Halbleiterkörper 2 an den jeweiligen
Chipträgern 3 kann also bei dem beschriebenen
Verfahren noch im Waferverbund erfolgen, so dass durch das Verfahren
eine Vielzahl von Halbleiterchips gleichzeitig hergestellt werden
kann.
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Ein
zweites Ausführungsbeispiel für ein Verfahren
zur Herstellung einer Mehrzahl von Halbleiterchips ist anhand von
den in den 2A bis 2F in
schematischer Schnittansicht dargestellten Zwischenschritten veranschaulicht.
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Wie
in 2A dargestellt, wird auf einem Substrat 8 eine
Mehrzahl von Halbleiterkörpern 2 bereitgestellt,
die nebeneinander angeordnet sind. Die Halbleiterkörper
sind jeweils durch Zwischenräume 25 voneinander
beabstandet.
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Die
Zwischenräume 25 erstrecken sich bis zu einer
Grenzfläche 30, auf der die Halbleiterkörper 2 angeordnet
sind.
-
Die
Halbleiterkörper 2 sind mittels einer Verbindungsschicht 4 an
dem Substrat 8 befestigt. Das Substrat 8 ist also
von dem Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge
der Halbleiterkörper 2 verschieden.
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Das
Substrat enthält vorzugsweise ein Material mit einer hohen
thermischen Leitfähigkeit. Beispielsweise kann das Substrat
einen Halbleiter, etwa Silizium, Germanium oder Galliumarsenid,
enthalten oder aus einem solchen Material bestehen.
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Alternativ
oder ergänzend kann das Substrat ein Metall, etwa Nickel,
Molybdän oder Tantal, enthalten oder aus Metall bestehen.
Ein solches Substrat kann sich bereits bei sehr geringen Dicken
durch eine hohe Stabilität auszeichnen.
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Weiterhin
kann das Substrat auch eine Keramik, etwa Aluminiumnitrid oder Bornitrid,
enthalten. Ein keramisches Material kann eine hohe mechanische Stabilität
bei gleichzeitig hoher thermischer Leitfähigkeit aufweisen.
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Das
Befestigen der Halbleiterkörper 2 an dem, vorzugsweise
ebenen, Substrat 8 kann hierbei im Waferverbund erfolgen.
Das heißt, nach dem epitaktischen Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge, aus
der die Halbleiterkörper 2 hervorgehen, auf dem Aufwachssubstrat
wird die Halbleiterschichtenfolge an dem Substrat 8 befestigt.
Nach der Befestigung an dem Substrat 8 kann das Aufwachssubstrat
von der Halbleiterschichtenfolge entfernt werden, sodass die Halbleiterschichtenfolge
auf dem Substrat 8 verbleibt. Das Entfernen des Aufwachssubstrats
kann mechanisch und/oder chemisch erfolgen. Auch kohärente
Strahlung kann, etwa in einem Laser-Ablöseverfahren (laser
lift-off), Anwendung finden.
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Nach
dem Entfernen des Aufwachssubstrats können die Zwischenräume 25 mittels
nasschemischen oder trockenchemischen Ätzens ausgebildet werden.
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Auf
der dem Substrat 8 abgewandten Seite der Halbleiterkörper 2 ist
jeweils eine Kontaktschicht 7 auf den Halbleiterkörpern 2 angeordnet.
Die Kontaktschicht 7 dient der externen elektrischen Kontaktierung
der Halbleiterkörper 2. Die Kontaktschicht kann
beispielsweise mittels Aufdampfens oder Aufsputterns hergestellt
werden und enthält weiterhin bevorzugt ein Metall oder
eine metallische Legierung. Insbesondere bei Halbleiterchips, die
nicht für den Betrieb mit einer elektrischen externen Spannung vorgesehen
sind, kann auf diese Kontaktschicht auch verzichtet werden.
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Gegebenfalls
können nach dem Entfernen des Aufwachssubstrats noch weitere
Fertigungsschritte an den Halbleiterkörpern 2 durchgeführt
werden. Beispielsweise kann die dem Substrat 8 jeweils abgewandte
Oberfläche der Halbleiterkörper 2 mit
einer Aufrauung versehen werden. Bei einem LED-Halbleiterchip kann
so die Auskoppeleffizienz der erzeugten Strahlung verbessert werden.
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Weiterhin
wird ein strukturierter Träger 33 bereitgestellt,
der eine Mehrzahl von Erhebungen 35 aufweist. Die Strukturierung
des strukturierten Trägers 33 kann hierbei insbesondere
wie im Zusammenhang mit 1A beschrieben
erfolgen. Erhebungen 35 mit vertikal verlaufenden Seitenflanken 350 werden
vorzugsweise mittels trockenchemischen Ätzens hergestellt.
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Wie
in 2B dargestellt, werden der strukturierte Träger 33 und
das Substrat 8 derart zueinander positioniert, dass sich
die Erhebungen 35 in die Zwischenräume 25 hinein
erstrecken. Der strukturierte Träger 33 und das
Substrat 8 werden mittels einer Befestigungsschicht 5 stoffschlüssig
miteinander verbunden. Die Befestigungsschicht kann beispielsweise
ein Klebemittel oder ein Lot enthalten.
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Im
Unterschied zu dem im Zusammenhang mit den 1A bis 1G beschriebenen
ersten Ausführungsbeispiel ist in diesem Ausführungsbeispiel
die Grenzfläche 30, auf der die Halbleiterkörper 2 angeordnet
sind, mittels einer ebenen Oberfläche des Substrats 8 gebildet.
Die Erhebungen 35 und die Halbleiterkörper 2 sind
auf dieser Grenzfläche 30 des Substrats 8 angeordnet.
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Im
Verbund 38 ist der strukturierte Träger 33 im
Bereich zwischen den Erhebungen 35 von den Halbleiterkörpern
beabstandet. Die Halbleiterkörper 2 und der strukturierte
Träger 33 sind also nur über das Substrat 8 und
die Befestigungsschicht 5 miteinander mechanisch verbunden.
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Nach
dem Herstellen des Verbunds 38 kann das Substrat 8 auf
der den Halbleiterkörpern 2 abgewandten Seite
der Grenzfläche gedünnt werden. Ein Verbund 38 mit
gedünntem Substrat ist in 2C schematisch
dargestellt.
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Das
Substrat 8 wird im Verbund vorzugsweise derart gedünnt,
dass die Dicke des Substrats zwischen einschließlich 5 μm
und einschließlich 70 μm, bevorzugt zwischen einschließlich
10 μm und einschließlich 50 μm, besonders
bevorzugt zwischen einschließlich 10 μm und einschließlich
30 μm, beträgt.
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Die
mechanische Stabilität des Verbunds 38 wird durch
die Erhebungen 35 gewährleistet. So kann das Substrat 8 auf
eine Dicke gedünnt werden, welche bei einem ebenen Substrat
ohne die Erhebungen für eine ausreichende mechanische Stabilisierung nicht
mehr genügen würde.
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Alternativ
zum Dünnen des Substrats kann das Substrat auch bereits
in der gewünschten Enddicke bereitgestellt werden. Dies
ist insbesondere für ein Substrat zweckmäßig,
das nur vergleichsweise schwierig gedünnt werden kann,
etwa für ein metallhaltiges oder keramikhaltiges Substrat.
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Auf
dem gedünnten Substrat kann, wie im Zusammenhang mit 1F beschrieben,
eine Montageschicht 6 aufgebracht werden. Dies ist in 2D schematisch
dargestellt.
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Wie 2E zeigt,
wird der strukturierte Träger 35 derart gedünnt,
dass der strukturierte Träger im Bereich zwischen den Erhebungen 35 vollständig entfernt
wird.
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Dieses
bereichsweise Entfernen des strukturierten Trägers kann
mechanisch und/oder chemisch erfolgen.
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Wie
in 2F dargestellt, wird der Verbund 38 in
eine Mehrzahl von Halbleiterchips 1 vereinzelt. Das Vereinzeln
kann wie im Zusammenhang mit 1G beschrieben
erfolgen.
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Das
beschriebene Verfahren muss nicht notwendigerweise in der angegebenen
Reihenfolge durchgeführt werden. Beispielsweise können
die Montageschichten 6 aufgebracht werden, bevor der strukturierte
Träger 33 gedünnt wird.
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Die 3A und 3B zeigen
ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Halbleiterchip
in schematischer Schnittansicht (3A) und
in zugehöriger schematischer Aufsicht (3B).
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Der
Halbleiterchip 1 umfasst einen Halbleiterkörper 2 und
einen Chipträger 3. Der Chipträger ist also
Teil des Halbleiterchips und stabilisiert den Halbleiterkörper 2 mechanisch.
Auf der dem Halbleiterkörper 2 abgewandten Seite
ist der Chipträger 3 eben ausgeführt.
Eine Montage des Halbleiterchips wird so vereinfacht.
-
Der
Halbleiterkörper 2 umfasst eine Halbleiterschichtenfolge,
die einen zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich
aufweist (nicht explizit dargestellt). Die Halbleiterschichtenfolge
kann den Halbleiterkörper bilden.
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Ein
Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterkörpers
kann entfernt sein. Der Halbleiterchip 1 kann also als
Dünnfilm-Halbleiterchip ausgeführt sein.
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Der
Halbleiterkörper 2 ist mittels einer Verbindungsschicht 4 auf
einer Grenzfläche 30 des Chipträgers 3 angeordnet.
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Der
Chipträger 3 weist eine Erhebung 35 auf, die
den Halbleiterkörper 2 in lateraler Richtung umläuft.
Die Erhebung 35 ist hierbei als rahmenartige Stabilisierung
ausgeführt. In senkrechter Richtung überragt die
Erhebung 35 den Halbleiterkörper 2. Der Chipträger 3 wird
mittels der Erhebung 35 mechanisch stabilisiert. Auf diese
Weise kann der Bereich des Chipträgers, der unterhalb des
Halbleiterkörpers 2 ausgebildet ist, bei guter
mechanischer Stabilität besonders dünn sein. Vorzugsweise
ist der Chipträger im Bereich unterhalb des Halbleiterkörpers
zwischen einschließlich 5 μm und einschließlich
70 μm, bevorzugt zwischen einschließlich 10 μm
und einschließlich 50 μm, am meisten bevorzugt
zwischen einschließlich 10 μm und einschließlich
30 μm, dick. Je dünner der Chipträger 3 in
diesem Bereich ist, desto besser kann im Betrieb des Halbleiterchips
erzeugte Wärme aus dem Halbleiterkörper 2 abgeführt werden.
Die Temperatur des Halbleiterkörpers, insbesondere des
aktiven Bereichs, kann so im Betrieb vereinfacht reduziert werden.
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Die
vertikale Ausdehnung des Chipträgers auf der dem Halbleiterkörper
zugewandten Seite der Grenzfläche 30, also die
Höhe der Erhebung 35, ist vorzugsweise mindestens
1,5-mal, besonders bevorzugt mindestens doppelt so groß,
wie auf der dem Halbleiterkörper abgewandten Seite. Beispielsweise kann
die vertikale Ausdehnung der Erhebung zwischen 50 μm bis 80 μm
betragen, während die vertikale Ausdehnung des Chipträgers 3 unterhalb
des Halbleiterkörpers 2 eine Dicke von lediglich
10 μm bis 30 μm aufweist. Die Gesamthöhe
des Chipträgers beträgt somit etwa 100 μm.
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Bezogen
auf die Grenzfläche 30 weist der Chipträger 3 also
halbleiterkörperseitig eine größere vertikale
Ausdehnung auf als auf der gegenüberliegenden Seite der
Grenzfläche. Die für die Wärmeabfuhr
maßgebliche Dicke des Chipträgers wird so vermindert.
Gleichzeitig weist der Chipträger eine hinreichend hohe
mechanische Stabilität auf, um den Halbleiterchip an einer
für den Halbleiterchip vorgesehenen Montageposition zu
befestigen. Die Befestigung des Halbleiterchips 1 kann
beispielsweise auf einer Leiterplatte, auf einer Wärmesenke
oder in einem Gehäuse für ein optoelektronisches
Bauelement erfolgen.
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Der
Chipträger 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel
einstückig ausgeführt. Weiterhin enthält
der Chipträger 3 vorzugsweise ein Material mit
einer hohen thermischen Leitfähigkeit und einer gleichzeitig guten
mikromechanischen Strukturierbarkeit.
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Besonders
bevorzugt enthält der Chipträger 3 Silizium
oder besteht aus Silizium. Silizium zeichnet sich durch eine besonders
gute, etwa mechanische oder chemische, Strukturierbarkeit aus. Auch
andere Halbleitermaterialien, wie Germanium oder Galliumarsenid
können Anwendung finden.
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Auf
der dem Halbleiterkörper 2 abgewandten Seite des
Chipträgers 3 weist der Halbleiterchip eine Montageschicht 6 auf.
Die Montageschicht dient der vereinfachten Montierbarkeit des Halbleiterchips.
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Halbleiterkörperseitig
weist der Chipträger 3 eine Seitenflanke 350 auf,
die schräg zur Grenzfläche 30 verläuft.
Die Erhebung verjüngt sich hierbei mit zunehmendem Abstand
zur Grenzfläche.
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Die
Erhebung 35 weist im Querschnitt vorzugsweise eine Ausdehnung
auf, die klein ist im Vergleich zur lateralen Ausdehnung des Halbleiterkörpers 2.
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Weiterhin
beträgt die maximale laterale Ausdehnung der Erhebung 35 im
Querschnitt vorzugsweise zwischen einschließlich 50 μm
und einschließlich 1 mm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich
100 μm und einschließlich 300 μm.
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In
Aufsicht auf den Halbleiterchip füllt der Halbleiterkörper 2 vorzugsweise
einen möglichst großen Teil der Grundfläche
des Chipträgers 3. Je größer
dieses Verhältnis ist, desto größer ist
der Anteil der Halbleiterchipfläche, in der effektiv Strahlung
erzeugt werden kann.
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In
Aufsicht auf den Halbleiterchip bedeckt der Halbleiterkörper 2 vorzugsweise
mindestens 10% der Grundfläche des Chipträgers.
Beispielsweise kann die Grundfläche des Chipträgers
eine Größe von etwa 0,7 × 0,7 mm2 bei einer Größe des Halbleiterkörpers
von 0,3 × 0,3 mm2 betragen. Dies
entspricht einem Bedeckungsgrad von etwa 18%.
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Der
Halbleiterkörper 2, insbesondere der aktive Bereich,
enthält vorzugsweise ein III–V-Halbleitermaterial.
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III–V-Halbleitermaterialien
sind zur Strahlungserzeugung im ultravioletten (InxGayAl1-x-yN) über den
sichtbaren (InxGayAl1-x-yN, insbesondere für blaue bis
grüne Strahlung, oder InxGayAl1-x-yP, insbesondere
für gelbe bis rote Strahlung) bis in den infraroten (InxGayAl1-x-yAs)
Spektralbereich besonders geeignet. Hierbei gilt jeweils 0 ≤ x ≤ 1,
0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1, insbesondere
mit x ≠ 1, y ≠ 1, x ≠ 0 und/oder y ≠ 0.
Mit III–V-Halbleitermaterialien, insbesondere aus den genannten
Materialsystemen, können weiterhin bei der Strahlungserzeugung
hohe interne Quanteneffizienzen erzielt werden.
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In
dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Halbleiterchip
zur Erzeugung von kohärenter Strahlung vorgesehen und als
ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser, etwa als
VECSEL oder als Scheibenlaser, ausgeführt. Für
eine Strahlungserzeugung kann der Halbleiterkörper optisch
gepumpt werden. Elektrische Kontakte, über die eine externe
elektrische Spannung am Halbleiterkörper angelegt werden
kann, sind also nicht erforderlich.
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Im
Betrieb des Halbleiterchips 1 im aktiven Bereich des Halbleiterkörpers 2 erzeugte
Wärme kann durch den Chipträger 3 effektiv
aus dem Halbleiterkörper abgeführt werden. Die
Temperatur des aktiven Bereichs wird dadurch gesenkt. Die Gefahr eines
vorzeitigen thermischen Überrollens wird so vermindert.
Weiterhin kann die Ausbildung einer thermischen Linse im Halbleiterkörper
verhindert oder zumindest vermindert werden.
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Der
Halbleiterkörper 2 kann aufgrund der schräg
verlaufenden Seitenflanken 350 vereinfacht aus einer schräg
zur vertikalen Richtung verlaufenden Richtung optisch gepumpt werden.
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In
den 4A und 4B ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Halbleiterchip 1 in schematischer
Schnittansicht (4A) und zugehöriger
schematischer Aufsicht (4B) dargestellt.
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Dieses
zweite Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem
im Zusammenhang mit 3A und 3B beschriebenen
ersten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu ist der
Halbleiterkörper 2 für die Umwandlung
von elektrischer Energie in optische Strahlungsleistung vorgesehen.
Im Betrieb des Halbleiterchips können Ladungsträger über
eine Kontaktschicht 7 und über eine Montageschicht 6 von
gegenüberliegenden Seiten in den Halbleiterkörper 2 injiziert
werden. Der Chipträger 3 ist hierfür
vorzugsweise elektrisch leitfähig ausgeführt.
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Im
Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist der Chipträger 3 mehrstückig
ausgeführt und weist ein Trägerteil 31 und
ein Stabilisierungsteil 32 auf. Das Trägerteil 31 und
das Stabilisierungsteil 32 sind über eine Befestigungsschicht 5 mechanisch stabil
miteinander verbunden. Das Stabilisierungsteil 32 ist hierbei
mittels einer Erhebung 35 gebildet.
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Die
Erhebung 35 weist eine senkrecht verlaufende Seitenflanke 350 auf,
die dem Halbleiterkörper 2 zugewandt ist. Die
Grundfläche des Chipträgers 3 kann so
in einer Aufsicht auf den Halbleiterchip bei gleicher Fläche
des Halbleiterkörpers 2 verringert werden. Mit
anderen Worten kann die effektive Fläche, in der im Halbleiterchip
Strahlung erzeugt wird, bei gleicher Größe des
Halbleiterchips vergrößert werden.
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Die
Befestigungsschicht 5 verläuft entlang einer Trennebene,
in der die Grenzfläche 30 ausgebildet ist. Das
Stabilisierungsteil 32 und der Halbleiterkörper 2 sind
auf derselben Oberfläche des Trägerteils 31 angeordnet.
Das heißt, der Halbleiterchip 1 ist derart ausgeführt,
dass der Halbleiterkörper 2 und das die mechanische
Stabilität des Halbleiterchips 1 bewerkstelligende
Stabilisierungsteil 32 auf derselben Seite der Grenzfläche
angeordnet sind, auf der der Halbleiterkörper befestigt
ist. Im Unterschied hierzu erfolgt die mechanische Stabilisierung des
Halbleiterkörpers bei einem herkömmlichen Halbleiterchip
durch einen dicken Träger, der unterhalb des Halbleiterkörpers
angeordnet ist.
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Zwischen
dem Halbleiterkörper 2 und dem Chipträger 3,
bevorzugt zwischen dem Halbleiterkörper 2 und
der Verbindungsschicht 4, ist eine Spiegelschicht 23 ausgebildet.
Die Spiegelschicht 23 weist vorzugsweise eine für
die im Halbleiterkörper 2 erzeugte Strahlung hohe
Reflektivität auf. Die Spiegelschicht enthält
vorzugsweise ein Metall, etwa Gold, Silber, Aluminium oder Rhodium
oder eine metallische Legierung mit zumindest einem der genannten Materialien.
Die Spiegelschicht ist vorzugsweise auf dem Halbleiterkörper
abgeschieden, etwa mittels Sputterns oder Aufdampfens.
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Zwischen
der Spiegelschicht 23 und der Verbindungsschicht 4 kann
eine Sperrschicht angeordnet sein (nicht explizit dargestellt).
Mittels der Sperrschicht kann eine Diffusion von Material der Verbindungsschicht
in die Spiegelschicht verhindert oder zumindest weitgehend verringert
werden. Die Sperrschicht kann ein Metall, insbesondere zumindest
ein Metall aus der Gruppe bestehend aus Titan, Platin, Wolfram und
Nickel, enthalten.
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Alternativ
oder ergänzend kann in dem Halbleiterkörper 2 ein
Bragg-Spiegel mittels einer Mehrzahl von aufeinander angeordneten
Halbleiterschichtenpaaren gebildet sein.
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Der
Halbleiterchip 1 mit dem beschriebenen Chipträger 31 zeichnet
sich durch einen besonders geringen Wärmewiderstand für
im Halbleiterkörper 2 erzeugte Wärme
aus. Die Wärme kann so besonders effizient aus dem Halbleiterchip 1 abgeführt
werden. Der beschriebene Aufbau ist daher besonders für Hochleistungs-Halbleiterchips,
etwa für Leuchtdioden mit einer elektrischen Aufnahmeleistung
von mindestens 100 mW, bevorzugt mindestens 300 mW, geeignet. Der
Halbleiterchip 1 kann hierbei auch als RCLED ausgeführt
sein.
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Das
Trägerteil 31 und das Stabilisierungsteil 32 können
bezüglich des verwendeten Materials verschieden sein. Insbesondere
kann das Stabilisierungsteil 32 Silizium enthalten oder
aus Silizium bestehen, während das Trägerteil
einen von Silizium verschiedenen Halbleiter, etwa Ge oder GaAs,
ein Metall, etwa Molybdän, Nickel oder Tantal, oder eine Keramik,
etwa AlN oder BN, enthalten oder aus einem solchen Material bestehen
kann.
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Die
Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele
beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie
jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination
von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch
wenn dieses Merkmale oder dies Kombination selbst nicht explizit
in den Patentansprüchen oder den Ausführungsbeispielen
angegeben ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - I. Schnitzer
et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174–2176 [0032]