DE102008048648A1

DE102008048648A1 - Optoelektronischer Halbleiterchip

Info

Publication number: DE102008048648A1
Application number: DE102008048648A
Authority: DE
Inventors: Ralph Dr. Wirth; Reiner Dr. Windisch
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2008-09-24
Filing date: 2008-09-24
Publication date: 2010-04-08

Abstract

In mindestens einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips (10) umfasst dieser eine Halbleiterschichtenfolge (5) zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung und einen Spiegel (3). Der Spiegel (3) weist eine Hauptfläche (4) auf, an der sich die Halbleiterschichtenfolge (5) befindet. In einer lateralen Richtung (L) ist die Hauptfläche (4) in mindestens einen ersten Teilbereich (1) und in mindestens einen zweiten Teilbereich (2) strukturiert. Der mindestens eine erste Teilbereich (1) weist ein transparentes, leitfähiges Oxid und der mindestens eine zweite Teilbereich (2) ein transparentes Dielektrikum auf. An einer der Halbleiterschichtenfolge (5) abgewandten Seite (6) des mindestens einen ersten Teilbereichs (1) und des mindestens einen zweiten Teilbereichs (2) befindet sich eine Metallschicht (7).

Description

Es wird ein optoelektronischer Halbleiterchip angegeben.
Die Druckschrift US 2004/0245543 A1 betrifft eine Methode zur Herstellung von Halbleiterbauteilen mit einer vertikal aufgebauten Verbundstruktur.
In der Druckschrift DE 103 46 605 A1 ist ein Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement angegeben.
Ein optoelektronischer Halbleiterchip und eine Herstellungsmethode für einen solchen Chip sind in der Druckschrift US 2005/0258444 A1 offenbart.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen optoelektronischen Halbleiterchip anzugeben, der eine hohe Lichtauskoppeleffizienz aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips umfasst dieser mindestens eine Halbleiterschichtenfolge zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung. Die Halbleiterschichtenfolge kann als so genannter Dünnfilmchip ausgeformt sein, wie in der Druckschrift WO 2005/08131 A1 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt hinsichtlich des dort beschriebenen Halbleiterchips sowie des dort beschriebenen Herstellungsverfahrens hiermit durch Rückbezug mit aufgenommen wird. Bei der Halbleiterschichtenfolge kann es sich ebenso um einen so genannten substratlosen Dünnfilmchip handeln. Ein solcher Dünnfilmchip ist in der Druckschrift DE 10 2007 004 304 A1 angegeben, deren Offenbarungsgehalt hinsichtlich des dort beschriebenen Halbleiterchips und des dort beschriebenen Herstellungsverfahrens hiermit durch Rückbezug mit aufgenommen wird. Die von der Halbleiterschichtenfolge im Betrieb emittierte elektromagnetische Strahlung weist, mindestens zum Teil, Wellenlängen im Spektralbereich zwischen einschließlich 300 nm und 2000 μm auf, insbesondere im Spektralbereich zwischen 360 nm und 1100 nm. Die Halbleiterschichtenfolge weist zum Beispiel kein Aufwachssubstrat auf und kann mechanisch selbsttragend sein. Eine Dicke der Halbleiterschichtenfolge, in einer Richtung parallel zur Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge, ist bevorzugt kleiner als 50 μm, insbesondere kleiner als 10 μm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips weist dieser mindestens einen Spiegel mit einer Hauptfläche auf. Die Hauptfläche ist bevorzugt eben und/oder als eine einzige, zusammenhängende Fläche ausgestaltet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips befindet sich die Halbleiterschichtenfolge an der Hauptfläche des Spiegels. Beispielsweise ist der Spiegel mit dessen Hauptfläche an beziehungsweise auf der Halbleiterschichtenfolge angebracht. Die Hauptfläche des Spiegels kann in direktem Kontakt zur Halbleiterschichtenfolge stehen. Alternativ ist es möglich, dass zumindest stellenweise ein Verbindungsmittel zwischen der Hauptfläche und der Halbleiterschichtenfolge angebracht ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips erfolgt eine Bestromung der Halbleiterschichtenfolge mindestens teilweise über den Spiegel. Ist die Halbleiterschichtenfolge nicht als Flip-Chip gestaltet, das heißt, weist die Halbleiterschichtenfolge elektrische Kontaktflächen an zwei einander gegenüberliegenden Flächen auf, so wird eine dieser Flächen über den Spiegel elektrisch kontaktiert. Die andere dieser Flächen kann mit einem Bonddraht kontaktiert sein. Mit anderen Worten dient der Spiegel zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips ist die Hauptfläche in einer lateralen Richtung in mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten Teilbereich strukturiert. In lateraler Richtung bedeutet hierbei, dass die Strukturierung parallel zu mindestens einer Hauptausdehnungsrichtung des Spiegels und somit der Halbleiterschichtenfolge erfolgt ist, also insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge. Es ist möglich, dass die Hauptfläche vollständig durch mindestens einen ersten und mindestens zweiten Teilbereich gebildet ist. Das heißt, die Hauptfläche besteht dann aus dem mindestens einen ersten und dem mindestens einen zweiten Teilbereich und weist keinen dritten Teilbereich auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips befindet sich über der gesamten Hauptfläche des Spiegels die Halbleiterschichtenfolge. Ist die Hauptfläche im Rahmen von Fertigungs- und Herstellungstoleranzen beispielsweise eben gestaltet, so befindet sich mit anderen Worten über jeder Stelle der Hauptfläche in einer Richtung senkrecht zur Hauptfläche ein Teil der Halbleiterschichtenfolge. Umfasst die Halbleiterschichtenfolge eine aktive Zone mit einem pn- Übergang, so ist es möglich, dass sich die aktive Zone über die gesamte Hauptfläche, bezüglich einer Richtung senkrecht zur Hauptfläche, erstreckt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips weist der mindestens eine erste Teilbereich ein transparentes leitfähiges Oxid, englisch Transparent Conductive Oxide oder kurz TCO, auf. Bevorzugt besteht der erste Teilbereich aus einem solchen transparenten, leitfähigen Oxid.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips ist der zweite Teilbereich mit einem strahlungsdurchlässigen, bevorzugt mit einem transparenten Dielektrikum gestaltet. Das heißt, der mindestens eine zweite Teilbereich umfasst ein transparentes Dielektrikum oder besteht aus einem solchen. Transparent bedeutet hierbei, dass das Dielektrikum oder auch das transparente leitfähige Oxid für die von der Halbleiterschichtenfolge erzeugte elektromagnetische Strahlung eine hohe Transparenz aufweist. Mit anderen Worten wird weniger als 10%, insbesondere weniger als 3% der auf den mindestens einen ersten beziehungsweise mindestens einen zweiten Teilbereich auftreffenden, von der Halbleiterschichtenfolge emittierten Strahlung diffus gestreut oder absorbiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips befindet sich an einer der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite des mindestens einen ersten Teilbereichs und des mindestens einen zweiten Teilbereichs eine Metallschicht. Die Metallschicht wirkt bevorzugt bezüglich der von der Halbleiterschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung reflektierend.
In mindestens einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips umfasst dieser eine Halbleiterschichtenfolge zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung und einen Spiegel. Der Spiegel weist eine Hauptfläche auf, an der sich die Halbleiterschichtenfolge befindet. In einer lateralen Richtung ist die Hauptfläche in mindestens einen ersten Teilbereich und in mindestens einen zweiten Teilbereich strukturiert. Der mindestens eine erste Teilbereich weist ein transparentes, leitfähiges Oxid und der mindestens eine zweite Teilbereich ein transparentes Dielektrikum auf. An einer der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite des mindestens einen ersten Teilbereichs und des mindestens einen zweiten Teilbereichs befindet sich eine Metallschicht. Der Spiegel umfasst also den mindestens einen ersten und den mindestens einen zweiten Teilbereich sowie die Metallschicht.
Dem optoelektronischen Halbleiterchip mit einem solchen Spiegel liegt unter anderem folgende Idee zugrunde: Ein Teil der in der Halbleiterschichtenfolge erzeugten Strahlung durchläuft die Halbleiterschichtenfolge in Richtung zu dem Spiegel hin. Strahlung, die mit einem Winkel, der größer ist als ein kritischer Winkel, auf die Hauptfläche trifft, wird an der Grenzfläche zwischen beispielsweise der Halbleiterschichtenfolge und dem Material des mindestens einen ersten beziehungsweise des mindestens einen zweiten Teilbereichs total reflektiert. Strahlung, die unterhalb des kritischen Winkels auf die Hauptfläche des Spiegels trifft, gelangt in den Spiegel, durchläuft das Material des mindestens einen ersten und/oder des mindestens einen zweiten Teilbereichs und trifft auf die Metallschicht. Diese Strahlung wird von der Metallschicht dann, mindestens zum Teil, zurück in Richtung Halbleiterschichtenfolge reflektiert.
Bei Reflexion über Totalreflexion treten nur geringe Reflexionsverluste auf. Die Reflexion an einer Metallschicht hingegen kann, abhängig vom Wellenlängenbereich der Strahlung und der Güte der Metallschicht, Reflexionsverluste von mehreren Prozent mit sich bringen. Daher kann die Auskoppeleffizienz der in der Halbleiterschichtenfolge erzeugten Strahlung aus dem Halbleiterchip erhöht werden, indem der Anteil an total reflektierter Strahlung erhöht wird.
Der Brechungsindex von Halbleitermaterialien, die für die Halbleiterschichtenfolge eingesetzt werden, ist in der Regel vergleichsweise hoch. Für Galliumnitrid, kurz GaN, beträgt der Brechungsindex zirka 2,4, für Indiumgalliumarsenid, kurz InGaAs, zirka 3,5. Transparente leitfähige Oxide, mit denen der mindestens eine erste Teilbereich gebildet ist, weisen ebenfalls einen vergleichsweise großen optischen Brechungsindex auf. Beispielsweise beträgt der Brechungsindex von Indiumzinnoxid, kurz ITO, zirka 2,1. Dielektrische Materialien wie etwa Siliziumnitrid oder Siliziumdioxid haben einen deutlich geringeren Brechungsindex von zirka 1,5. Mit anderen Worten ist der Brechungsindexunterschied zwischen Halbleiterschichtenfolge und dem mindestens einen zweiten Teilbereich deutlich größer als zwischen Halbleiterschichtenfolge und dem mindestens einen ersten Teilbereich. Das heißt, an dem mindestens einen zweiten Teilbereich wird ein größerer Anteil der in der Halbleiterschichtenfolge erzeugten Strahlung total reflektiert. Durch eine Gestaltung des Spiegels mit dem mindestens einen zweiten Teilbereich können sich also die Reflexionsverluste verringern und die Lichtauskoppeleffizienz aus dem Halbleiterchip sich somit erhöhen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips liegt eine Dicke der Teilbereiche, in einer Richtung senkrecht zur Hauptfläche, zwischen einschließlich 100 nm und 1 μm. Als Dicke wird hierbei jeweils die geometrische und nicht die optische Dicke bezeichnet. Wird in der Halbleiterschichtenfolge erzeugte Strahlung an den Teilbereichen total reflektiert, so dringt ein Teil der Strahlung in Form einer evaneszenten Welle in das die Teilbereiche bildende Material ein. Die Intensität der evaneszenten Welle nimmt exponentiell mit der Eindringtiefe ab. Eine effektive Eindringtiefe ist hierbei insbesondere von der Wellenlänge der total reflektierten Strahlung abhängig. Ist die Dicke der Teilbereiche geringer als die effektive Eindringtiefe, so können Reflexionsverluste bei der Totalreflexion aufgrund von Absorption an der Metallschicht entstehen. Da das die Teilbereiche bildende Material, beispielsweise aufgrund von Verunreinigungen, eine gewisse Absorption bezüglich der von der Halbleiterschichtenfolge emittierten Strahlung aufzeigt, ist die Dicke der Teilbereiche andererseits möglichst gering zu wählen. Eine Dicke der Teilbereiche im angegebenen Wertebereich kann eine hohe Auskoppeleffizienz der Strahlung aus dem Halbleiterchip heraus gewährleisten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips liegt die geometrische Dicke der Teilbereiche zwischen einschließlich 250 nm und 750 nm. Insbesondere beträgt die Dicke zirka 400 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips beträgt eine Dicke der Metallschicht, in einer Richtung senkrecht zur Hauptfläche, mindestens 100 nm, bevorzugt mindestens 200 nm. Insbesondere liegt die Dicke der Metallschicht im Bereich zwischen einschließlich 150 nm und 350 nm. Die Metallschicht kann aus einem einzigen Material bestehen, zum Beispiel aus Silber oder Aluminium. Ebenso ist es möglich, dass die Metallschicht mehrere, in direktem Kontakt zueinander stehende, aufeinander folgende Lagen aufweist, die auch unterschiedliche Materialien beinhalten können. Eine solche Dicke der Metallschicht ist effizient herstellbar und gewährleistet einen hohen Reflexionsgrad bezüglich der von der Halbleiterschichtenfolge emittierten Strahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips bedeckt die Metallschicht die der Halbleiterschichtenfolge abgewandte Seite der Teilbereiche überwiegend oder vollständig. Überwiegend bedeutet hierbei, dass mindestens 80%, insbesondere mindesten 95% dieser Seite mit der Metallschicht bedeckt sind. Bevorzugt ist die Metallschicht mit einer gleichmäßigen Dicke und eben geformt, so dass die Metallschicht einen hohen Reflexionsgrad aufzeigt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips befindet sich zwischen der Halbleiterschichtenfolge und dem mindestens einen ersten und dem mindestens einen zweiten Teilbereich ein mindestens teiltransparenter Metallfilm. Der Metallfilm kann auf der Hauptfläche aufgebracht sein. Über den Metallfilm ist eine verbesserte Haftung zwischen der Halbleiterschichtenfolge und dem Spiegel erzielbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips ist eine Dicke des Metallfilms, in einer Richtung senkrecht zur Hauptfläche, kleiner als 10 nm, insbesondere kleiner als 5 nm. Ein solcher Metallfilm weist eine hohe Transparenz bezüglich der von der Halbleiterschichtenfolge emittierten Strahlung von mindestens 70%, insbesondere von mindestens 90%, auf. Der Metallfilm weist bevorzugt mindestens eines der folgenden Materialien auf oder besteht aus einem solchen: Ti, Pt, Au, AuZn, Ag.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips liegt der Anteil an der Hauptfläche, den der mindestens eine erste Teilbereich ausmacht, zwischen einschließlich 10% und 90%. Insbesondere liegt dieser Anteil zwischen einschließlich 30% und 60%. Über einen derartigen Anteil des mindestens einen ersten Teilbereichs an der Hauptfläche ist einerseits eine hohe Reflektivität des Spiegels und andererseits eine effiziente Stromeinprägung über den ersten Teilbereich in die Halbleiterschichtenfolge gewährleistbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips befindet sich an einer der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite der Metallschicht eine Sperrschicht. An einer der Metallschicht abgewandten Seite der Sperrschicht befindet sich weiterhin eine Kontaktschicht. Bevorzugt weist die Sperrschicht eine Dicke, in einer Richtung senkrecht zur Haupfläche, zwischen einschließlich 100 nm und 500 nm auf und ist mit Ti, TiN und/oder TiWN gestaltet. Die Kontaktschicht ist zum Beispiel mit Au gestaltet und weist bevorzugt eine Dicke, in einer Richtung senkrecht zur Haupfläche, von mindestens 500 nm auf.
Durch die Sperrschicht ist beispielsweise eine Diffusion von Materialbestandteilen der Kontaktschicht in die Metallschicht, in den Spiegel oder in die Halbleiterschichtenfolge, und umgekehrt, unterbunden beziehungsweise stark reduziert. Die Kontaktschicht ermöglicht beispielsweise ein effizientes Anbringen des Halbleiterchips an einem externen Träger mittels Löten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips beträgt ein Querleitwiderstand der Halbleiterschichtenfolge an der Hauptfläche des Spiegels mindestens 100 Ohm/☐, insbesondere mindestens 1000 Ohm/☐. Der Querleitwiderstand kann beispielsweise an einer Seite der Halbleiterschichtenfolge gemessen werden, die an beziehungsweise auf der Hauptfläche des Spiegels zur Befestigung vorgesehen ist. Über einen hohen Querleitwiderstand wird gewährleistet, dass im Wesentlichen nur solche Bereiche der Halbleiterschichtenfolge bestromt werden, die sich in einer Richtung senkrecht zur Hauptfläche über dem mindestens einen ersten Teilbereich befinden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips umfasst die Halbleiterschichtenfolge Indiumgalliumarsenid, Galliumphosphid, Galliumnitrid, Indiumgalliumaluminiumphosphid und/oder Indiumgalliumnitrid. Bevorzugt basiert die Halbleiterschichtenfolge nur auf einem der genannten Materialien. „Basierend” bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Halbleiterschichtenfolge oder zumindest ein Teil davon, besonders bevorzugt zumindest eine aktive Zone, eines der genannten Halbleitermaterialien aufweist oder aus diesem besteht. Verschiedene Schichten der Halbleiterschichtenfolge können eine unterschiedliche Materialzusammensetzung aufweisen. Basiert die Halbleiterschichtenfolge zum Beispiel auf Galliumnitrid, so können die verschiedenen Schichten einen unterschiedlichen Galliumgehalt aufweisen. „Basierend” schließt insbesondere nicht aus, dass die Halbleiterschichtenfolge mindestens eine Dotierung mit weiteren Materialien beinhalten kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips ist der mindestens eine zweite Teilbereich mit Siliziumnitrid oder Siliziumdioxid gestaltet. Das heißt, der zweite Teilbereich umfasst eines der genannten Materialien oder besteht aus diesen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips umfasst der mindestens eine erste Teilbereich Indiumzinnoxid, kurz ITO, oder Zinkoxid. Basiert die Halbleiterschichtenfolge auf InGaAlP, so umfasst zum Beispiel der mindestens eine erste Teilbereich Zinkoxid und der mindestens eine zweite Teilbereich SiN_x. Bei einer auf InGaN basierenden Halbleiterschichtenfolge beispielsweise weist der mindestens eine erste Teilbereich ITO und der mindestens eine zweite Teilbereich SiO₂ auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips umfasst die Metallschicht Gold, Silber und/oder Aluminium. Die Metallschicht kann auch aus einem der genannten Materialien bestehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips beträgt ein über die gesamte Hauptfläche des Spiegels gemittelter optischer Brechungsindex an der Hauptfläche höchstens 1,8, insbesondere höchstens 1,7. Zur Mittelung des optischen Brechungsindex sind insbesondere die Anteile an der Hauptfläche von dem mindestens einen ersten Teilbereich und dem mindestens einen zweiten Teilbereich und die Brechungsindizes des mindestens einen ersten und des mindestens einen zweiten Teilbereichs zu berücksichtigen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips beträgt dessen Dicke höchstens 50 μm, insbesondere höchstens 20 μm, bevorzugt höchstens 12 μm. Die Dicke bezieht sich hierbei auf eine Richtung senkrecht zur Hauptfläche des Spiegels beziehungsweise der Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips ist der Spiegel eben gestaltet. Das heißt, im Rahmen der Herstellungs- und Fertigungstoleranzen ist die Hauptfläche eben. Bevorzugt ist auch die Metallschicht eben geformt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips überlappt der mindestens eine erste Teilbereich in einer lateralen Richtung teilweise mit dem mindestens einen zweiten Teilbereich. Werden mit anderen Worten die Teilbereiche auf eine Ebene parallel zur Hauptfläche projiziert, so weisen die projizierten Flächen einen Überlappbereich auf. Dieser laterale Überlappbereich beträgt, im Rahmen der Herstellungstoleranzen, bevorzugt weniger als 20%, insbesondere weniger als 10% der Hauptfläche des Spiegels.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips ist dieser als Leuchtdiode oder als Laserdiode ausgestaltet.
Einige Anwendungsbereiche, in denen hier beschriebene optoelektronische Halbleiterchips Verwendung finden können, sind etwa die Hinterleuchtungen von Displays oder Anzeigeeinrichtungen. Weiterhin können die hier beschriebenen Halbleiterchips auch in Beleuchtungseinrichtungen zu Projektionszwecken, in Scheinwerfern oder Lichtstrahlern oder bei der Allgemeinbeleuchtung eingesetzt werden.
Nachfolgend wird ein hier beschriebener optoelektronischer Halbleiterchip unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchips,
2 eine schematische Schnittdarstellung (A) und eine schematische Draufsicht auf eine Hauptfläche (B) eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen Halbleiterchips,
3 eine schematische Schnittdarstellung (A) sowie eine schematische Draufsicht auf eine Strahlungsdurchtrittsfläche (B) eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen Halbleiterchips, und
4 eine schematische Draufsicht (A) sowie eine schematische Schnittdarstellung (B) eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen Halbleiterchips.
Ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips 10 ist in 1 gezeigt. Der Halbleiterchip 10 umfasst eine Halbleiterschichtenfolge 5 und einen Spiegel 3. Die Halbleiterschichtenfolge 5 befindet sich hierbei an einer Hauptfläche 4 des Spiegels 3. Die Hauptfläche 4 ist eben ausgestaltet. In einer lateralen Richtung L, also in einer Richtung parallel zu einer Haupterstreckungsrichtung des optoelektronischen Halbleiterchips 10 beziehungsweise senkrecht zu einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge 5, ist die Hauptfläche 4 des Spiegels 3 in zwei erste Teilbereiche 1 und einen zweiten Teilbereich 2 strukturiert. Die ersten Teilbereiche 1 fassen hierbei den zweiten Teilbereich 2 ein. An einer der Halbleiterschichtenfolge 5 abgewandten Seite 6 der Teilbereiche 1, 2 befindet sich eine Metallschicht 7.
Die Halbleiterschichtenfolge 5 ist dazu ausgestaltet, im Betrieb des optoelektronischen Halbleiterchips 10 elektromagnetische Strahlung im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich zu emittieren. Die Halbleiterschichtenfolge 5 ist nicht als so genannter Flip-Chip gestaltet. Eine elektrische Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge 5 erfolgt einerseits über den Spiegel 3 und andererseits über in 1 nicht gezeichnete elektrische Kontakte, zum Beispiel über einem Bonddraht an einer Strahlungsdurchtrittsfläche 14, die dem Spiegel 3 abgewandt ist. Zur Verbesserung der Lichtauskoppeleffizienz aus dem Halbleiterchip 10 heraus weist die Strahlungsdurchtrittsfläche 14 Aufrauungen auf.
Um über den Spiegel 3 eine Bestromung der Halbleiterschichtenfolge 5 zu ermöglichen, sind die ersten Teilbereiche 1 mit einem für die von der Halbleiterschichtenfolge 5 im Betrieb emittierte Strahlung transparenten, elektrisch leitfähigen Oxid, kurz einem TCO, gestaltet. Der zweite Teilbereich 2 besteht aus einem für die von der Halbleiterschichtenfolge 5 im Betrieb erzeugte Strahlung transparenten Dielektrikum. Zum Beispiel bestehen die ersten Teilbereiche 1 aus Indiumzinnoxid oder Zinkoxid und der zweite Teilbereich 2 aus Siliziumnitrid. Die Hauptfläche 4 ist also von den Teilbereichen 1, 2 gebildet. Der Anteil der ersten Teilbereiche 1 an der Hauptfläche 4 des Spiegels 3 beträgt zirka 60%.
Die bezüglich von der Halbleiterschichtenfolge 5 emittierten Strahlung reflektierende Metallschicht 7 ist, abhängig von der Wellenlänge der Strahlung, mit Aluminium, Silber und/oder Gold gefertigt. Eine Dicke D der Metallschicht 7 in einer Richtung senkrecht zur Hauptfläche 4 beträgt zirka 100 nm, eine Dicke T der Teilbereiche 1, 2 liegt bei ungefähr 400 nm. Eine Dicke B des gesamten optoelektronischen Halbleiterchips gemäß 1 beträgt in etwa 10 μm.
Für eine in einem Punkt P der Halbleiterschichtenfolge 5 erzeugte Strahlung sind mehrere typische, beispielhafte Strahlwege S1, S2, S3 möglich. Zum Beispiel durchläuft die Strahlung einen Strahlweg S1, wobei die im Punkt P erzeugte Strahlung in Richtung der Strahlungsdurchtrittsfläche 14 läuft und an der Strahlungsdurchtrittsfläche 14 den optoelektronischen Halbleiterchip 10 verlässt.
Bei dem Strahlweg S2 läuft die im Punkt P erzeugte Strahlung in Richtung der Hauptfläche 4 des Spiegels 3, trifft unter einem vergleichsweise flachen Winkel auf die Hauptfläche 4 und wird an dieser total reflektiert. Maßgeblich für einen Grenzwinkel, unterhalb dem die beispielsweise im Punkt P erzeugte Strahlung an der Hauptfläche 4 total reflektiert wird, ist der Unterschied des optischen Brechungsindex zwischen der Halbleiterschichtenfolge 5 und dem Material des Spiegels 3 an der Hauptfläche 4. Je größer der Unterschied im optischen Brechungsindex, desto kleiner ist der Grenzwinkel und desto mehr Strahlung wird anteilig an der Hauptfläche 4 total reflektiert. Nach der Reflexion an der Hauptfläche 4 läuft die Strahlung in Richtung der Strahlungsdurchtrittsfläche 14 und verlässt an dieser den optoelektronischen Halbleiterchip.
Gemäß dem Strahlweg S3 trifft die im Punkt P erzeugte Strahlung unter einem kleinen Winkel zum Lot der Hauptfläche 4 auf die Hauptfläche 4, durchläuft beispielsweise den zweiten Teilbereich 2, gelangt zur Metallschicht 7 und wird an dieser reflektiert. Nach der Reflexion an der Metallschicht 7 durchläuft die Strahlung erneut den zweiten Teilbereich 2, gelangt in die Halbleiterschichtenfolge 5 und wird ebenfalls an der Strahlungsdurchtrittsfläche 14 aus dem optoelektronischen Halbleiterchip 10 emittiert.
Strahlwege, bei denen die Strahlung an der Strahlungsdurchtrittsfläche 14 zurück in Richtung zum Spiegel 3 hin reflektiert wird, sind in 1 nicht dargestellt. Solche Strahlwege können in Analogie zu den Strahlwegen S2, S3 verlaufen.
Da transparente, leitfähige Oxide meist einen Brechungsindex von mindestens etwa 2 aufweisen, kann der Anteil der beispielsweise im Punkt P erzeugten Strahlung, der über Totalreflexion an der Hauptfläche 4 reflektiert wird, erhöht werden, indem der Teilbereich 2 ein Dielektrikum mit einem vergleichsweise niedrigen Brechungsindex, beispielsweise von weniger als 1,7, Verwendung findet. Hierdurch lassen sich Verluste aufgrund von beispielsweise Absorption an der Metallschicht 7 vermeiden und die Lichtauskoppeleffizienz aus dem optoelektronischen Halbleiterchip 10 ist gesteigert.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips 10 illustriert. Zur besseren Haftung befindet sich zwischen dem Spiegel 3 und der Halbleiterschichtenfolge 5 ein Metallfilm 8. Der Metallfilm 8 steht einerseits in Kontakt mit der Hauptfläche 4 des Spiegels 3 und andererseits mit der Halbleiterschichtenfolge 5. Eine Dicke d des Metallfilms 8 in einer Richtung senkrecht zur Hauptfläche 4 beträgt zirka 4 nm. Hierdurch ist der Metallfilm 8 für die in der Halbleiterschichtenfolge 5 erzeugte Strahlung im Wesentlichen transparent. Die in der Halbleiterschichtenfolge 5 erzeugte Strahlung, die in Richtung der Hauptfläche 4 läuft, kann also am Spiegel 3 effizient in Richtung Strahlungsdurchtrittsfläche 14 reflektiert werden.
Der Halbleiterchip 10 gemäß 2 weist zwei erste Teilbereiche 1 und einen zweiten Teilbereich 2 auf, vergleiche die Draufsicht auf die Hauptfläche 4 in 2B. 2A ist eine Schnittdarstellung entlang der Strich-Punkt-Linie in 2B. Die zur Stromeinprägung in die Halbleiterschichtenfolge 5 dienenden ersten Teilbereiche 1 weisen einen runden Grundriss auf. In der lateralen Richtung L überlappen in einem Überlappbereich 15 die ersten Teilbereiche 1 teilweise mit dem zweiten Teilbereich 2. Werden mit anderen Worten die Teilbereiche auf die Hauptfläche 4 projiziert, so überlappen die projizierten Flächen der Teilbereiche 1, 2 im Überlappbereich 15. Der Überlappbereich 15 nimmt zirka 5% bis 10% der Hauptfläche 4 ein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Halbleiterchips 10 ist in 3 zu sehen. 3A ist eine Schnittdarstellung entlang der Strich-Punkt-Linie gemäß der Draufsicht auf die Strahlungsdurchtrittsfläche 14 in 3B.
Die elektrische Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge 5 erfolgt einerseits über einen Bonddraht 13 an der Strahlungsdurchtrittsfläche 14 und andererseits über den ersten Teilbereich 1. Ein Teil der Strahlungsdurchtrittsfläche 14 ist durch den Bonddraht 13 abgeschattet. Das heißt, in einer Richtung senkrecht zur Hauptfläche 4 kann in Bereichen, in denen sich der Bonddraht 13 an und/oder über der Strahlungsdurchtrittsfläche 14 befindet, die in der Halbleiterschichtenfolge 5 erzeugte Strahlung den Halbleiterchip 10 nicht oder nur eingeschränkt verlassen. Um zu unterbinden, dass in der Halbleiterschichtenfolge 5 Strahlung in vom Bonddraht 13 abgeschatteten Bereichen erzeugt wird, weist die Halbleiterschichtenfolge 5 an der Hauptfläche 4 einen Querleitwiderstand von mindestens 100 Ohm/☐ auf. Zudem befindet sich in abgeschatteten Bereichen der zweite Teilbereich 2, der mit einem Dielektrikum gebildet ist. Bedingt durch den hohen Querleitwiderstand der Halbleiterschichtenfolge 5 und den zweiten Teilbereich 2 erfolgt eine Stromeinprägung und somit eine Strahlungserzeugung nur in nicht vom Bonddraht 13 abgeschatteten Bereichen der Halbleiterschichtenfolge 5.
An einer der Halbleiterschichtenfolge 5 abgewandten Seite 9 der Metallschicht 7 befindet sich eine Sperrschicht 11. An einer der Halbleiterschichtenfolge 5 abgewandten Seite der Sperrschicht 11 ist eine Kontaktschicht 12 aufgebracht. Über die Kontaktschicht 12 kann der Halbleiterchip 10 zum Beispiel über Löten an einem externen, nicht gezeichneten Träger aufgebracht werden. Durch die Sperrschicht 11 ist beispielsweise eine Diffusion von Bestandteilen der Kontaktschicht 12 in den Spiegel 3 beziehungsweise in die Halbleiterschichtenfolge 5, und umgekehrt, unterbunden oder stark vermindert.
In 4A ist eine Draufsicht, in 4B eine Schnittdarstellung entlang der Strich-Punkt-Linie in 4A eines weiteren Ausführungsbeispiels des Halbleiterchips 10 dargestellt. Gemäß 4A weist der Halbeiterchip 10 sechs erste Teilbereiche 1 auf, die in einem zweiten Teilbereich 2 eingebettet sind. Die ersten Teilbereiche 1 sind streifenartig gestaltet und erstrecken sich in einer Richtung senkrecht zur lateralen Richtung L nahezu über den gesamten Halbleiterchip 10. In der lateralen Richtung L weisen die ersten Teilbereiche 1 eine Breite von zirka 100 μm auf. Eine Kantenlänge des gesamten Halbeiterchips 10 in der lateralen Richtung L beträgt etwa 1000 μm. Der Anteil der ersten Teilbereiche 1 an der Hauptfläche 4 beträgt somit zirka 40%.
In einem Eckbereich befindet sich auf der Strahlungsdurchtrittsfläche 14 eine Kontaktfläche 17, über die der Halbleiterchip 10 zum Beispiel über einen Bonddraht elektrisch kontaktierbar ist.
Auf der Strahlungsdurchtrittsfläche 14 ist, ausgehend von der Kontaktfläche 17, eine fingerartig gestaltete, metallische Stromverteilungsstruktur 16 aufgebracht, über die eine gleichmäßige Stromeinprägung in die Halbleiterschichtenfolge 5 gewährleistbar ist. Die Stromverteilungsstruktur 16 bedeckt bevorzugt nur einen kleinen Anteil der Strahlungsdurchtrittsfläche 14. In der lateralen Richtung L ist die Stromverteilungsstruktur 16 versetzt zu den ersten Teilbereichen 16 angeordnet. Mit anderen Worten überlappen die ersten Teilbereiche 1 in einer Richtung senkrecht zur Hauptfläche 4 nicht mit der Stromverteilungsstruktur 16.
Alternativ ist es ebenso möglich, dass die Stromverteilungsstruktur 16 mit einem transparenten, elektrisch leitfähigen Material gestaltet ist.
Die hier beschriebene 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 Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2004/0245543 A1 [0002]
- DE 10346605 A1 [0003]
- US 2005/0258444 A1 [0004]
- WO 2005/08131 A1 [0006]
- DE 102007004304 A1 [0006]

Claims

Optoelektronischer Halbleiterchip (10) mit – einer Halbleiterschichtenfolge (2) zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung und – einem Spiegel (3), wobei – der Spiegel (3) eine Hauptfläche (4) aufweist, an der sich die Halbleiterschichtenfolge (5) befindet, – die Hauptfläche (4) in einer lateralen Richtung (L) in mindestens einen ersten (1) und mindestens einen zweiten Teilbereich (2) strukturiert ist, – der mindestens eine erste Teilbereich (1) ein transparentes leitfähiges Oxid und der mindestens eine zweite Teilbereich (2) ein transparentes Dielektrikum aufweist, und – sich an dem mindestens einen ersten Teilbereich (1) und an dem mindestens einen zweiten Teilbereich (2) an einer der Halbleiterschichtenfolge (5) abgewandten Seite (6) wenigstens stellenweise eine zum Spiegel (3) gehörige Metallschicht (7) befindet.
Optoelektronischer Halbleiterchip (10) nach Anspruch 1, bei dem eine Dicke (T) der Teilbereiche (1, 2) zwischen einschließlich 100 nm und 1 μm liegt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Dicke (D) der Metallschicht (7) mindestens 15 nm beträgt und die Metallschicht (7) die der Halbleiterschichtenfolge (5) abgewandte Seite (6) der Teilbereiche (1, 2) vollständig bedeckt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich zwischen der Halbleiterschichtenfolge (5) und dem mindestens einen ersten (1) und dem mindestens einen zweiten Teilbereich (2) ein zumindest teiltransparenter Metallfilm (8) befindet.
Optoelektronischer Halbleiterchip (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Metallfilm (8) eine Dicke (d) von höchstens 10 nm aufweist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der von dem mindestens einen ersten Teilbereich (1) gebildete Anteil an der Hauptfläche (4) zwischen einschließlich 10% und 90% liegt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich an einer der Halbleiterschichtenfolge (5) abgewandten Seite (9) der Metallschicht (7) eine Sperrschicht (11) und eine Kontaktschicht (12) befinden.
Optoelektronischer Halbleiterchip (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Querleitwiderstand der Halbleiterschichtenfolge (5) an der Hauptfläche (4) mindestens 100 Ω/☐ beträgt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der mindestens eine zweite Teilbereich (2) mit Siliziumnitrid oder Siliziumdioxid gestaltet ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der mindestens eine erste Teilbereich (1) Indiumzinnoxid oder Zinkoxid umfasst.
Optoelektronischer Halbleiterchip (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Spiegel (3) an der Hauptfläche (4) einen über die Hauptfläche (4) gemittelten optischen Brechungsindex von höchstens 1,8 aufweist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine Dicke (B) von höchstens 50 μm aufweist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Anteil eines lateralern Überlappbereichs (15) zwischen dem mindestens einen ersten (1) und dem mindestens einen zweiten Teilbereich (2) an der Hauptfläche (4) höchstens 20% beträgt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem – die Dicke (T) des mindestens einen ersten (1) und des mindestens einen zweiten Teilbereichs (2) zwischen einschließlich 250 nm und 750 nm liegt, – der mindestens eine zweite Teilbereich (2) aus Siliziumnitrid oder Siliziumdioxid besteht, – der von dem mindestens einen ersten Teilbereich (1) gebildete Anteil der Hauptfläche (4) zwischen einschließlich 30% und 60% liegt, – der Spiegel (3) eben gestaltet ist, und – der mindestens eine erste (1) und der mindestens eine zweite Teilbereich (2) an der der Halbleiterschichtenfolge (4) abgewandten Seite (6) lateral teilweise überlappen.