DE102008053731A1

DE102008053731A1 - Optoelektronischer Halbleiterchip

Info

Publication number: DE102008053731A1
Application number: DE102008053731A
Authority: DE
Inventors: Norwin Von Dr. Malm; Klaus Dr. Streubel
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2008-10-29
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2010-05-06
Anticipated expiration: 2028-10-30
Also published as: DE102008053731B4

Abstract

Es wird ein optoelektronischer Halbleiterchip (100) angegeben mit einem Schichtenstapel, der mindestens zwei übereinander angeordnete Schichtenfolgen, aufweist. Ferner umfasst der optoelektronische Halbleiterchip (100) einen ersten und einen zweiten elektrischen Kontakt (3, 4), die zumindest teilweise auf einer ersten Hauptfläche (6) des Schichtenstapels angeordnet sind, und mindestens einen Durchbruch (15), der sich von der ersten Hauptfläche (6) durch mindestens eine der beiden aktiven Zonen (13A, 13B) hindurch in Richtung einer zweiten Hauptfläche (14) erstreckt, wobei mindestens einer der beiden elektrischen Kontakte (3, 4) in den Durchbruch (15) hineinragt.

Description

Es wird ein optoelektronischer Halbleiterchip angegeben, der zur Emission von elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise im sichtbaren Spektralbereich, vorgesehen ist.
Herkömmliche LED-Halbleiterchips weisen in der Regel eine Schichtstruktur mit einem pn-Übergang auf. Im Bereich dieses pn-Übergangs befindet sich die aktive Zone der LED, in der im Betrieb die Strahlungserzeugung stattfindet. Die erzeugte Strahlungsleistung hängt von der Stromstärke ab, mit der der LED-Halbleiterchip betrieben wird.
Die Stromdichte kann jedoch nicht beliebig erhöht werden, da hierbei materialbedingte Alterungseffekte auftreten, welche die Lebensdauer des LED-Halbleiterchips stark verkürzen. Infolgedessen kann die Strahlungsleistung nicht beliebig erhöht werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optoelektronischen Halbleiterchip mit verbesserter Lichtausbeute anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Halbleiterchip gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des optoelektronischen Halbleiterchips sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der optoelektronische Halbleiterchip einen Schichtenstapel mit einer ersten Halbleiterschichtenfolge und einer zweiten Halbleiterschichtenfolge auf. Die Halbleiterschichtenfolgen umfassen jeweils einen Halbleiterbereich eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen Halbleiterbereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps und eine zwischen den Halbleiterbereichen verschiedenen Leitfähigkeitstyps angeordnete aktive Zone zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung.
Beispielsweise können der erste Halbleiterbereich der ersten Halbleiterschichtenfolge und der dritte Halbleiterbereich der zweiten Halbleiterschichtenfolge p-leitend sein. Entsprechend können der zweite Halbleiterbereich der ersten Halbleiterschichtenfolge und der vierte Halbleiterbereich der zweiten Halbleiterschichtenfolge n-leitend sein. Ferner bestehen die Halbleiterbereiche nicht zwingendermaßen aus einer Schicht, sondern können mehrere Teilschichten aufweisen.
Die aktiven Zonen weisen zur Strahlungserzeugung jeweils einen pn-Übergang auf. Dieser pn-Übergang kann im einfachsten Fall mittels des p-leitenden und des n-leitenden Halbleiterbereichs gebildet sein, die unmittelbar aneinandergrenzen. Ferner kann zwischen dem p-leitenden und dem n-leitenden Bereich die eigentliche Strahlung erzeugende Struktur, etwa in Form einer dotierten oder undotierten Quantenstruktur, ausgebildet sein. Die Quantenstruktur kann als Einfachquantentopfstuktur (SQW, Single Quantum Well) oder Mehrfachquantentopfstruktur (MQW, Multiple Quantum Well) oder auch als Quantendraht oder Quantenpunktstruktur ausgebildet sein.
Vorzugsweise sind die beiden Halbleiterschichtenfolgen übereinander angeordnet. Beispielsweise kann bei dieser Anordnung die Strahlungsdichte, das heißt die Strahlungsleistung pro leuchtender Fläche, gegenüber einem herkömmlichen Halbleiterchip mit nur einer aktiven Zone erhöht werden. Denn die Größe der leuchtenden Querschnittsfläche wird gegenüber einem herkömmlichen Halbleiterchip vorzugsweise unverändert gelassen, während die Strahlungsleistung durch die beiden aktiven Zonen gesteigert wird.
Weiterhin umfasst der optoelektronische Halbleiterchip mit Vorteil einen ersten und einen zweiten elektrischen Kontakt, die zumindest teilweise auf einer ersten Hauptfläche des Schichtenstapels angeordnet sind, sowie mindestens einen Durchbruch, der sich von der ersten Hauptfläche durch mindestens eine der beiden aktiven Zonen hindurch in Richtung einer zweiten Hauptfläche erstreckt, wobei mindestens einer der beiden elektrischen Kontakte in den Durchbruch hineinragt.
Vorzugsweise ist die erste Hauptfläche gegenüber von einer Strahlungsauskoppelfläche des Halbleiterchips angeordnet. Vorteilhafterweise ist aufgrund der zumindest teilweisen Anordnung der beiden elektrischen Kontakte auf der ersten Hauptfläche die Strahlungsauskoppelfläche frei von elektrischen Kontaktstellen wie Bondpads. Die Gefahr einer Abschattung und/oder Absorption eines Teils der von den aktiven Zonen im Betrieb emittierten elektromagnetischen Strahlung durch die Kontaktstellen wird auf diese Weise reduziert. Vorzugsweise ist die zweite Hauptfläche auf einer der Strahlungsauskoppelfläche zugewandten Seite des Schichenstapels angeordnet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die beiden Halbleiterschichtenfolgen separate Halbleiterkörper, die mittels einer Verbindungsschicht miteinander mechanisch verbunden sind. Die Verwendung von separaten Halbleiterkörpern ermöglicht beispielsweise die Behandlung von Oberflächen der Halbleiterkörper vor dem Zusammenfügen derselben. Zum Beispiel können auf diese Weise p-dotierte Halbleiterbereiche vor dem Zusammenfügen elektrisch aktiviert werden, wodurch die p-Leitfähigkeit erhöht werden kann.
Insbesondere ist die Verbindungsschicht, durch welche die beiden Halbleiterkörper zusammengehalten werden, für die erzeugte Strahlung durchlässig. Somit kann die von dem unteren Halbleiterkörper emittierte Strahlung, der von der Strahlungsauskoppelfläche weiter entfernt ist als der obere Halbleiterkörper, ohne große Intensitätseinbußen durch die Verbindungsschicht transmittiert werden und zur Strahlungsauskoppelfläche gelangen.
Für die Verbindungsschicht kommen je nach Anwendungsfall sowohl Materialien mit hoher als auch Materialien mit geringer elektrischer Leitfähigkeit in Betracht.
Im ersten Fall kann die Verbindungsschicht ein Polymer mit einer Metallfüllung, die beispielsweise Partikel oder Mikrodrähte aus Ag, Cu oder Au enthält, oder ein Komposit aus Nanopartikeln aufweisen, die aus einem transparenten leitenden Oxid gebildet sind.
Somit ist durch die elektrisch leitende Verbindungsschicht ein ausreichender Ladungsträgertransfer zwischen den beiden Halbleiterschichtenfolgen möglich.
Im zweiten Fall kann die Verbindungsschicht mindestens eines der folgenden Materialien aufweisen: Silikonharz, Epoxidharz, Acrylat, Polyurethan, Polyester, Polythioester, Spin-on Glas, Komposit aus Metalloxid-Nanopartikeln wie SiO2, TiO2, Ta2O5 oder Al2O3, Komposit aus Metallnitrid-Nanopartikeln wie Si4N3 oder AlN.
Im Falle der elektrisch isolierenden Verbindungsschicht wird mit Vorteil auf beiden Seiten der Verbindungsschicht jeweils eine elektrisch leitende Zwischenschicht angeordnet, die mit einem der beiden Kontakte elektrisch verbunden ist. Weiterhin sind die Zwischenschichten mit jeweils einer der beiden Halbleiterschichtenfolgen elektrisch verbunden, so dass durch die jeweilige Zwischenschicht eine elektrische Verbindung zwischen einem der beiden Kontakte und der entsprechenden Halbleiterschichtenfolge hergestellt ist. Bei dieser Ausführungsform wird durch die Verbindungsschicht kein Strom geleitet. Für die Verbindungsschicht kann somit im Wesentlichen ungeachtet der elektrischen Eigenschaften ein Material mit guten Hafteigenschaften verwendet werden.
Insbesondere wird die Verbindungsschicht in Form eines flüssigen Klebematerials auf mindestens eine der beiden Schichtenfolgen aufgebracht. Nach dem Aushärten des Klebematerials werden die beiden Schichtenfolgen durch die Verbindungsschicht zusammengehalten.
Das Aushärten des flüssigen Klebematerials kann thermisch oder durch Bestrahlung, insbesondere mit ultravioletter (UV) oder infraroter (IR) Strahlung, erfolgen. Eine UV-Aushärtung bei Raumtemperatur ist dabei bevorzugt, da in diesem Fall unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialien eine geringere Rolle spielen. Sind die thermischen Ausdehnungskoeffizienten ähnlich, kann insbesondere ein transparentes Klebematerial eingesetzt werden, das zunächst als feste Schicht, beispielsweise in Form einer Folie oder einer Platte, aufgebracht wird. Durch erhöhte Temperatur oder einen sonstigen Aktivierungsschritt kann das Klebematerial beim Verpressen der beiden Halbleiterschichtenfolgen flüssig werden.
Mit Vorteil weist ein solches Klebematerial eine gute thermische Leitfähigkeit auf, um einen effizienten Abtransport der im Betrieb entstehenden Wärme zu ermöglichen.
Das Klebematerial ist vorteilhafterweise für die Wellenlänge der von den aktiven Zonen der Halbleiterschichtenfolgen erzeugten Strahlung durchlässig.
Ferner weist das Klebematerial mit Vorteil einen an das Halbleitermaterial der Halbleiterschichtenfolgen angepassten Brechungsindex auf.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die beiden Halbleiterschichtenfolgen in Dünnfilmtechnik hergestellt. Hierbei sind die Halbleiterschichtenfolgen unter anderem frei von einem Aufwachssubstrat, das heißt die zum Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolgen benutzten Aufwachssubstrate sind von den Halbleiterschichtenfolgen entfernt oder zumindest stark gedünnt.
Ersatzweise können die Halbleiterschichtenfolgen auf einem gemeinsamen Trägersubstrat angeordnet sein. Das Trägersubstrat befindet sich mit Vorteil auf einer der Strahlungsauskoppelseite gegenüber liegenden Rückseite des Halbleiterchips, das heißt vorzugsweise auf der Seite der ersten Hauptfläche.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung sind der erste und der zweite Kontakt zumindest stellenweise zwischen der unteren Halbleiterschichtenfolge, das heißt der von der Strahlungsauskoppelfläche weiter entfernten Halbleiterschichtenfolge, und dem Trägersubstrat angeordnet. Das Trägersubstrat enthält mit Vorteil ein thermisch und/oder elektrisch leitendes Material.
Der Durchbruch kann sich durch den gesamten Schichtenstapel erstrecken, das heißt der Durchbruch kann an der ersten Hauptfläche anfangen und an der zweiten Hauptfläche enden.
Ferner besteht die Möglichkeit, dass sich der Durchbruch nicht durch den gesamten Schichtenstapel erstreckt, sondern beispielsweise an der ersten Hauptfläche beginnt und vor der zweiten Hauptfläche endet.
Vorzugsweise ist der Durchbruch elektrisch isoliert, das heißt er ist mit einer Isolierschicht ausgekleidet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die erste und die zweite Halbleiterschichtenfolge in gleicher Orientierung angeordnet, das heißt die pn-Übergänge der beiden Halbleiterschichtenfolgen bilden eine pn-pn- oder np-np-Strukur. Wie nachfolgend erläutert wird, können die erste und die zweite Halbleiterschichtenfolge auch in entgegengesetzter Orientierung angeordnet sein, das heißt die pn-Übergänge der beiden Halbleiterschichtenfolgen bilden eine pn-np- oder np-pn-Strukur.
Die gleich orientierte Anordnung ist dazu geeignet, die beiden Halbleiterschichtenfolgen in Serie oder antiparallel zu schalten.
Vorteilhafterweise kann mittels der Serienschaltung der gleiche Strom in die beiden Halbleiterschichtenfolgen injiziert werden.
Die Serienschaltung kann dergestalt sein, dass die Halbleiterschichtenfolgen in gleicher Orientierung angeordnet sind, und der erste Halbleiterbereich mit dem ersten Kontakt und der vierte Halbleiterbereich mit dem zweiten Kontakt elektrisch verbunden ist. Insbesondere ist der erste Halbleiterbereich p-leitend und der erste Kontakt ein p-Kontakt, während der vierte Halbleiterbereich n-leitend und der zweite Kontakt ein n-Kontakt ist. Vorzugsweise verläuft der zweite Kontakt durch den Durchbruch.
Der erste Kontakt kann beispielsweise in Form einer Metall enthaltenden Beschichtung ausgeführt sein, die auf die erste Hauptfläche derart aufgebracht ist, dass sie mit dem ersten Halbleiterbereich elektrisch verbunden ist und sich im Wesentlichen parallel zur ersten Hauptfläche erstreckt.
Der zweite Kontakt kann insbesondere verschiedene Anschlussschichten aufweisen. Eine erste Anschlussschicht kann auf der ersten Hauptfläche angeordnet sein und sich im Wesentlichen parallel zur ersten Hauptfläche erstrecken. Mit der ersten Anschlussschicht kann eine zweite Anschlussschicht elektrisch verbunden sein, die den Durchbruch auskleidet und sich bis auf die zweite Hauptfläche erstreckt. Die beiden Anschlussschichten sind vorzugsweise aus verschiedenen Materialien gebildet. Während die erste Schicht beispielsweise ein Metall oder eine Metallverbindung enthalten kann, weist die zweite Schicht mit Vorteil ein transparentes leitendes Oxid auf.
Transparente leitende Oxide (transparent conductive oxides, kurz „TCO”) sind transparente, leitende Materialien, in der Regel Metalloxide, wie beispielsweise Zinkoxid, Zinnoxid, Cadmiumoxid, Titanoxid, Indiumoxid oder Indiumzinnoxid (ITO). Neben binären Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise ZnO, SnO₂ oder In₂O₃ gehören auch ternäre Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise Zn₂SnO₄, CdSnO3, ZnSnO₃, MgIn₂O₄, GaInO₃, Zn₂In₂O₅ oder In₄Sn₃O₁₂ oder Mischungen unterschiedlicher transparenter leitender Oxide zu der Gruppe der TCOs. Weiterhin entsprechen die TCOs nicht zwingend einer stöchiometrischen Zusammensetzung und können auch p- oder n-dotiert sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die beiden Halbleiterschichtenfolgen antiparallel geschaltet. Bei der Antiparallelschaltung sind vorzugsweise die erste und die zweite Halbleiterschichtenfolge in gleicher Orientierung angeordnet.
An den Halbleiterchip mit den beiden antiparallel geschalteten Halbleiterschichtenfolgen kann eine Wechselspannung angelegt werden, so dass die aktiven Zonen abwechselnd Strahlung erzeugen. Insgesamt kann somit im Wesentlichen ohne Unterbrechung von dem Halbleiterchip Strahlung emittiert werden. Vorteilhafterweise wird bei dieser Ausführungsform kein Gleichrichter gebraucht.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Halbleiterchips mit antiparallel geschalteten Halbleiterschichtenfolgen werden der zweite und der dritte Halbleiterbereich mit dem ersten Kontakt und der erste und der vierte Halbleiterbereich mit dem zweiten Kontakt elektrisch verbunden. Es ist ferner möglich, dass der zweite und der dritte Halbleiterbereich mit dem zweiten Kontakt und der erste und der vierte Halbleiterbereich mit dem ersten Kontakt elektrisch verbunden sind. Während der erste und der dritte Halbleiterbereich insbesondere p-leitend sind, können der zweite und der vierte Halbleiterbereich n-leitend sein. Weiterhin ist der erste Halbleiterbereich insbesondere auf der Seite der ersten Hauptfläche und der vierte Halbleiterbereich auf der Seite der zweiten Hauptfläche angeordnet.
Hierbei wird von den beiden Kontakten derjenige als erster Kontakt bezeichnet, der näher an der ersten Hauptfläche angeordnet ist.
Bei einer ersten Ausgestaltung weist der Halbleiterchip mit antiparallel geschalteten Halbleiterschichtenfolgen einen Durchbruch auf, in welchen sowohl der erste als auch der zweite Kontakt hineinragen. Insbesondere erstreckt sich hierbei der erste Kontakt in Form einer Metall enthaltenden Beschichtung von der ersten Hauptfläche bis zur Verbindungsschicht, die vorzugsweise elektrisch leitend ist, und ist mit dieser elektrisch verbunden. Weiterhin kann der zweite Kontakt von der ersten Hauptfläche durch den Durchbruch hindurch bis zur zweiten Hauptfläche verlaufen. Mit Vorteil ist der zweite Kontakt aus verschiedenen Anschlussschichten gebildet, die verschiedene Materialien enthalten. Eine erste Anschlussschicht kann eine Beschichtung aus Metall oder einer Metallverbindung sein, welche die erste Hauptfläche bedeckt. Eine zweite Anschlussschicht, die vorzugsweise ein transparentes leitendes Material enthält, kann den Durchbruch auskleiden und sich bis zur zweiten Hauptfläche erstrecken. Durch die Wahl eines transparenten Materials kann dennoch auf der Seite der zweiten Hauptfläche Strahlung aus dem Halbleiterchip ausgekoppelt werden.
Bei einer zweiten Ausgestaltung weist der Halbleiterchip mit antiparallel geschalteten Halbleiterschichtenfolgen zwei Durchbrüche auf. Der erste Durchbruch beginnt an der ersten Hauptfläche und endet an der zweiten Hauptfläche. Vorzugsweise ragt der erste Kontakt in den ersten Durchbruch hinein und erstreckt sich bis zur zweiten Hauptfläche. Der erste Kontakt ist vorzugsweise aus zwei verschiedenen Anschlussschichten gebildet, wobei die erste Anschlussschicht, insbesondere eine Beschichtung aus Metall oder einer Metallverbindung, auf der ersten Hauptfläche angeordnet ist und die zweite Anschlussschicht, insbesondere eine Beschichtung aus einem transparenten leitenden Oxid, den ersten Durchbruch auskleidet und sich bis zur zweiten Hauptfläche erstreckt. Der zweite Durchbruch beginnt an der ersten Hauptfläche und endet an der Verbindungsschicht, die insbesondere elektrisch leitend ist. Vorzugsweise wird der zweite Durchbruch von dem zweiten Konktakt ausgekleidet.
Es können in ähnlicher Weise auch drei oder mehr Halbleiterschichtenfolgen übereinander gestapelt sein, die durch jeweils eine zwischen zwei benachbarten Halbleiterschichtenfolgen angeordnete Verbindungsschicht zusammengehalten werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind die erste und die zweite Halbleiterschichtenfolge in entgegengesetzter Orientierung angeordnet, das heißt die pn-Übergänge der beiden Halbleiterschichtenfolgen bilden eine pn-np- oder np-pn-Strukur.
Diese Ausführungsform ist insbesondere dazu geeignet, die beiden Halbleiterschichtenfolgen parallel zu schalten. Bei einer Parallelschaltung bleibt die Vorwärtsspannung im Vergleich zu einer herkömmlichen LED mit nur einer aktiven Zone unverändert.
Die Parallelschaltung kann dergestalt sein, dass die Halbleiterschichtenfolgen in entgegengesetzter Orientierung angeordnet sind, und der erste und der dritte Halbleiterbereich mit dem ersten Kontakt und der zweite und der vierte Halbleiterbereich mit dem zweiten Kontakt elektrisch verbunden sind. Insbesondere sind der erste und der dritte Halbleiterbereich p-leitend, während der zweite und der vierte Halbleiterbereich n-leitend sind. Weiterhin ist der erste Kontakt insbesondere ein p-Kontakt, während der zweite Kontakt ein n-Kontakt ist. Vorzugsweise ist der vierte Halbleiterbereich auf der Strahlungsauskoppelseite angeordnet. Demnach können die beiden n-leitenden Halbleiterbereiche außen liegend angeordnet sein, während die beiden p-leitenden Halbleiterbereiche innen liegend angeordnet sind.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Parallelschaltung erstreckt sich der Durchbruch von der ersten Hauptfläche bis in den vierten Halbleiterbereich. Ferner ragt der zweite Kontakt, mit welchem der vierte Halbleiterbereich elektrisch verbunden ist, mit Vorteil in den Durchbruch hinein. Der vierte Halbleiterbereich, der sich auf der Strahlungsauskoppelseite befindet, kann also von der Rückseite her elektrisch kontaktiert werden, wodurch die Strahlungsauskoppelfläche frei ist von Kontaktstellen wie Bondpads.
Weiterhin kann der erste Kontakt in den Durchbruch hineinragen. Insbesondere kleiden beide Kontakte den Durchbruch aus und sind konzentrisch angeordnet. Beide Kontakte können in Form einer Beschichtung ausgebildet sein, welche die erste Hauptfläche zumindest teilweise bedeckt und sich bis in den Durchbruch erstreckt. Zur elektrischen Isolation ist mit Vorteil zwischen den beiden Kontakten eine Isolierschicht vorgesehen. Ebenso kann zur elektrischen Isolation zwischen Halbleiterschichtenfolge und Kontakt eine Isolierschicht angeordnet sein.
Es ist weiterhin möglich, dass bei der Parallelschaltung zwei Durchbrüche vorgesehen sind. Während sich der eine Durchbruch wie bereits erwähnt von der ersten Hauptfläche bis nahezu zur zweiten Hauptfläche erstreckt, endet der weitere Durchbruch vorzugsweise bereits im Bereich der Verbindungsschicht. Den weiteren Durchbruch kann der erste Kontakt auskleiden, der insbesondere im Bereich der Verbindungsschicht gegenüber dem Schichtenstapel nicht isoliert ist, so dass die beiden innen liegenden Halbleiterbereiche über die Zwischenschichten mit dem ersten Kontakt elektrisch verbunden sind. Der erste Kontakt kann sich ferner bis in den für den zweiten Kontakt vorgesehenen Durchbruch erstrecken, ist hierbei aber gegenüber dem Schichtenstapel elektrisch isoliert.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist der optoelektronische Halbleiterchip mindestens zwei Schichtenstapel mit einer ersten und zweiten Halbleiterschichtenfolge auf, wobei die Schichtenstapel im Halbleiterchip nebeneinander angeordnet sind. Insbesondere können die Schichtenstapel auf einem gemeinsamen Trägersubstrat angeordnet sein.
Bei einer vorteilhaften Variante sind die Schichtenstapel seriell verschaltet. Vorzugsweise ist die elektrische Verbindung zwischen den Schichtenstapeln auf der der Strahlungsauskoppelfläche gegenüber liegenden Seite des Halbleiterchips ausgebildet. Insbesondere sind der zweite Kontakt des einen Schichtenstapels und der erste Kontakt des anderen Schichtenstapels elektrisch verbunden. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die zugehörigen Kontaktschichten miteinander überlappen.
Bei einer weiteren Variante sind die Schichtenstapel parallel verschaltet. Vorzugsweise ist die elektrische Verbindung zwischen den Schichtenstapeln auf der der Strahlungsauskoppelfläche gegenüber liegenden Seite des Halbleiterchips ausgebildet. Insbesondere sind der erste Kontakt des einen Schichtenstapels und der erste Kontakt des anderen Schichtenstapels sowie der zweite Kontakt des einen Schichtenstapels und der zweite Kontakt des anderen Schichtenstapels elektrisch verbunden. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die zugehörigen Kontaktschichten miteinander überlappen. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den folgenden Erläuterungen in Verbindung mit den Figuren.
Es zeigen:
1A bis 1J eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips mit in Serie geschalteten Halbleiterschichtenfolgen und 1K eine Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterchips mit in Serie geschalteten Halbleiterschichtenfolgen,
2A bis 2I eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips mit parallel geschalteten Halbleiterschichtenfolgen und 2J eine Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Halbleiterchips mit parallel geschalteten Halbleiterschichtenfolgen und 2K eine Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Halbleiterchips mit parallel geschalteten Halbleiterschichtenfolgen,
3A bis 3M eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips mit antiparallel geschalteten Halbleiterschichtenfolgen gemäß einer ersten Variante, 3N eine Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterchips mit antiparallel geschalteten Halbleiterschichtenfolgen gemäß einer ersten Variante und 3O ein Schaltbild für den Halbleiterchip gemäß 3N,
4A bis 4K eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips mit antiparallel geschalteten Halbleiterschichtenfolgen gemäß einer zweiten Variante, 4L eine Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterchips mit antiparallel geschalteten Halbleiterschichtenfolgen gemäß einer zweiten Variante und 4M ein Schaltbild für den Halbleiterchip gemäß 4L.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bestandteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Wie 1A zeigt, werden gemäß einer bevorzugten Variante eines Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips ein erster Halbleiterkörper 1A und ein zweiter Halbleiterkörper 1B verwendet.
Der erste Halbleiterkörper 1A weist eine erste Halbleiterschichtenfolge 10A auf, die einen ersten Halbleiterbereich 11A eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen zweiten Halbleiterbereich 12A eines zweiten Leitfähigkeitstyps und eine zwischen dem ersten und dem zweiten Halbleiterbereich 11A, 12A angeordnete erste aktive Zone 13A zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung umfasst. Einen entsprechenden Aufbau weist der zweite Halbleiterkörper 1B auf, der eine zweite Halbleiterschichtenfolge 10B mit einem dritten Halbleiterbereich 11B eines ersten Leitfähigkeitstyps, einem vierten Halbleiterbereich 12B eines zweiten Leitfähigkeitstyps und einer zwischen dem dritten und dem vierten Halbleiterbereich 11B, 12B angeordneten zweiten aktiven Zone 13B zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung umfasst.
Die erste und die zweite Halbleiterschichtenfolge 10A, 10B können beispielsweise aus einem Nitrid-Verbindungshalbleiter gebildet sein, wobei die Halbleiterschichtenfolgen 10A, 10B oder zumindest eine Schicht davon einen III/V-Verbindungshalbleiter mit der Zusammensetzung Al_nGa_mIn_1-n-mN enthalten, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des Al_nGa_mIn_1-n-mN-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Die erste und die zweite Halbleiterschichtenfolge 10A, 10B werden jeweils auf einem Aufwachssubstrat 2 aufgewachsen, das beispielsweise Saphir enthalten kann.
Vorzugsweise sind der erste Halbleiterbereich 11A und der dritte Halbleiterbereich 11B p-leitend, während der zweite Halbleiterbereich 12A und der vierte Halbleiterbereich 12B n-leitend sind.
Wie 1B zeigt, werden die beiden Halbleiterkörper 1A, 1B auf der p-leitenden Seite, insbesondere an den Oberflächen des ersten und dritten Halbleiterbereichs 11A, 11B, elektrisch aktiviert (durch Pfeile angedeutet). Dies kann beispielsweise durch Erwärmung auf 400°C bis 900°C oder durch Bestrahlung mit Mikrowellen oder Laserlicht erfolgen. Vorteilhafterweise ist die p-Leitfähigkeit des ersten und dritten Halbleiterbereichs 11A, 11B infolge der elektrischen Aktivierung verbessert.
Auf einer ersten Hauptfläche 6 des ersten Halbleiterkörpers 1A wird ein erster Kontakt 3 angeordnet (vgl. 1C). Der erste Kontakt 3 wird insbesondere in Form einer Beschichtung, die ein Metall oder eine Metallverbindung enthält, auf die erste Hauptfläche 6 aufgebracht und erstreckt sich im Wesentlichen parallel zu dieser. In der Mitte des ersten Kontakts 3 ist eine Aussparung vorgesehen, die später mit einem zweiten Kontakt ausgekleidet wird. Der erste Kontakt wird mit einer Isolierschicht 5a überzogen, die dort, wo sich die Aussparung im ersten Kontakt 3 befindet, ebenfalls eine Öffnung aufweist. Die Isolierschicht 5a ist elektrisch isolierend ebenso wie alle anderen vorausgehend und nachfolgend mit „Isolierschicht” bezeichneten Schichten.
Die erste Hauptfläche 6 ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Oberfläche des ersten Halbleiterkörpers 1A, insbesondere des ersten Halbleiterbereichs 11A. Der erste Halbleiterbereich 11A kann mittels des auf die erste Hauptfläche 6 aufgebrachten ersten Kontakts 3 elektrisch versorgt werden.
Auf der Isolierschicht 5a wird ein Teilbereich des zweiten Kontakts, eine erste Anschlussschicht 4a, angeordnet (vgl. 1D). Diese erstreckt sich im Wesentlichen parallel zur ersten Hauptfläche 6 und kleidet außerdem die zentralen Aussparungen im ersten Kontakt 3 und in der Isolierschicht 5a aus. Vorzugsweise enthält die erste Anschlussschicht 4a ein Metall oder eine Metallverbindung. Ferner wird auf die erste Anschlussschicht 4a eine weitere Isolierschicht 5b aufgebracht, so dass die erste Anschlussschicht 4a von elektrisch isolierendem Material eingehüllt ist.
Wie 1E zeigt, wird der erste Halbleiterkörper 1A auf der Seite, wo sich der erste Kontakt 3 und die erste Anschlussschicht 4a befinden, mit einem Trägersubstrat 8 verbunden. Das Trägersubstrat 8 kann Ge, Al2O3, AlN, Glas, Cu oder ein anderes Metall enthalten oder daraus bestehen. Der Halbleiterkörper 1A und das Trägersubstrat 8 werden durch eine Haftschicht 7 zusammengehalten, die beispielsweise eine metallische Bondschicht oder eine Klebeschicht, die beispielsweise einen Kunststoff enthält, sein kann.
Das Trägersubstrat 8 sorgt für eine ausreichende Stabilität der ersten Halbleiterschichtenfolge 10A, so dass das Aufwachssubstrat 2 von der ersten Halbleiterschichtenfolge 10A abgelöst werden kann. Infolge ist der Halbleiterkörper 1A frei von dem Aufwachssubstrat 2 (vgl. 1F). Beispielsweise kann das Aufwachssubstrat 2 durch Laser-Lift-Off abgelöst werden. Die frei gelegte Oberfläche der ersten Halbleiterschichtenfolge 10A wird vorzugsweise aufgeraut.
Daraufhin kann mindestens einer der beiden Halbleiterkörper 1A, 1B mit einem flüssigen, transparenten und elektrisch leitfähigen Klebematerial beschichtet werden. Die beiden Halbleiterkörper 1A und 1B werden zusammengefügt, und das Klebematerial wird ausgehärtet. Nach dem Aushärten werden die beiden Halbleiterkörper 1A, 1B durch eine Verbindungsschicht 9 zusammengehalten, die ein transparentes, elektrisch leitfähiges Material enthält (vgl. 1G). Insbesondere ist die Verbindungsschicht 9 für die von den aktiven Zonen 13A, 13B erzeugte Strahlung durchlässig.
Mit Vorteil kann die Verbindungsschicht 9 ein Polymer mit einer Metallfüllung, die beispielsweise Partikel oder Mikrodrähte aus Ag, Cu oder Au enthält, oder ein Komposit aus Nanopartikeln aufweisen, die aus einem transparenten leitenden Oxid gebildet sind.
Insbesondere sind die erste und die zweite Halbleiterschichtenfolge 10A, 10B in gleicher Orientierung angeordnet, wobei die pn-Übergänge der beiden Halbleiterschichtenfolgen 10A, 10B ausgehend von dem vierten Halbleiterbereich 12B vorzugsweise eine np-np-Strukur bilden.
Wie in 1H dargestellt ist, kann auch das Aufwachssubstrat des zweiten Halbleiterkörpers 1B von der zweiten Halbleiterschichtenfolge 10B abgelöst werden. Auch hier kann ein Laser-Lift-Off-Verfahren angewendet werden. Mit Vorteil wird auch die frei gelegte Oberfläche des zweiten Halbleiterkörpers 1B aufgeraut.
Wie in 1I dargestellt ist, wird in dem Schichtenstapel aus den beiden Halbleiterkörpern 1A, 1B ein Durchbruch 15 ausgebildet, der sich von einer der ersten Hauptfläche 6 gegenüber liegenden zweiten Hauptfläche 14 durch die beiden aktiven Zonen 13A, 13B hindurch bis zur ersten Anschlusschicht 4a erstreckt. Der Durchbruch 15 kann mittels nasschemischem oder trockenchemischem Ätzen oder mittels Laserbohren hergestellt werden. Der Durchmesser des Durchbruchs 15 an der Grenze zur ersten Anschlusschicht 4a entspricht im Wesentlichen der Ausdehnung der Öffnung in der Isolierschicht 5a. Insbesondere weist der Durchbruch 15 eine stufenfreie Seitenwand auf, wobei der Durchmesser des Durchbruchs 15 mit zunehmender Tiefe vorzugsweise kleiner wird. Der Durchbruch 15 weist insbesondere einen kreisförmigen Querschnitt auf. Es sind jedoch auch beliebige andere Querschnittsformen denkbar.
Der Durchbruch 15 wird mit einer Isolierschicht 5c ausgekleidet, welche sich bis auf die zweite Hauptfläche 14 erstreckt und im Bereich der ersten Anschlusschicht 4a eine Aussparung aufweist.
Die Isolierschicht 5c sowie die von der Isolierschicht 5c unbedeckten Flächen werden mit einer zweiten Anschlusschicht 4b überzogen, so dass diese in dem Durchbruch 15 und auf der zweiten Hauptfläche 14 angeordnet ist (vgl. 1J). Die zweite Anschlussschicht 4b berührt die erste Anschlussschicht 4a im Bereich der in der Isolierschicht 5c vorgesehenen Aussparung. Somit sind die erste und zweite Anschlussschicht 4a, 4b miteinander elektrisch verbunden und bilden zusammen den zweiten Kontakt 4. Die zweite Anschlussschicht 4b enthält mit Vorteil ein transparentes leitendes Oxid, so dass zum einen die von den beiden aktiven Zonen 13A, 13B erzeugte Strahlung durch die zweite Anschlussschicht 4b hindurch austreten kann und zum anderen eine elektrische Versorgung des zweiten Halbleiterkörpers 1B durch die zweite Anschlussschicht 4b möglich ist.
Ergebnis eines wie in den 1A bis 1J dargestellten Verfahrens ist ein optoelektronischer Halbleiterchip 100 wie in 1K gezeigt. Bei dem Halbleiterchip 100 sind die Flanken zum Teil nach innen versetzt, so dass Teilbereiche des ersten Kontakts 3 und des zweiten Kontakts 4 frei gelegt sind. Die frei gelegten Teilbereiche können jeweils mit einem Anschlussleiter zur elektrischen Verbindung des Halbleiterchips 100 mit einer externen Energiequelle versehen werden. Demnach befinden sich die Anschlüsse des Halbleiterchips 100 auf einer der Strahlungsauskoppelfläche 16 gegenüber liegenden Rückseite des Halbleiterchips 100. Vorteilhafterweise ist somit die Strahlungsauskoppelfläche 16 des Halbleiterchips 100 frei von elektrischen Kontakten wie Bondpads oder Anschlussleitern, welche die Strahlungsleistung verringern würden.
Die gleich orientierten Halbleiterschichtenfolgen 10A, 10B sind bei diesem Ausführungsbeispiel in Serie geschaltet. Der erste Halbleiterbereich 11A ist mit dem ersten Kontakt 3 und der vierte Halbleiterbereich 12B mit dem zweiten Kontakt 4 elektrisch verbunden. Die Verbindungsschicht 9 ist elektrisch leitend, so dass zwischen dem zweiten Halbleiterbereich 12A und dem dritten Halbleiterbereich 11B ein Ladungsträgertransfer möglich ist. Die übrigen Halbleiterbereiche sind durch die Isolierschicht 5c voneinander elektrisch isoliert.
Die beiden aktiven Zonen 13A, 13B können Strahlung mit derselben Wellenlänge emittieren. Zur Erzeugung von weißem Licht kann der Halbleiterchip 100 mit einem Konverter versehen werden. Alternativ können die beiden aktiven Zonen 13A, 13B Strahlung mit verschiedener Wellenlänge emittieren, wobei die Wellenlängen insbesondere so aufeinander abgestimmt sind, dass die Gesamtstrahlung weißes Licht ergibt.
Die 2A bis 2J zeigen verschiedene Schritte eines bevorzugten Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips mit parallel geschalteten Halbleiterschichtenfolgen.
Die in den 2A und 2B dargestellten Schritte entsprechen den Schritten gemäß den 1A und 1B.
Im Unterschied zu dem vorausgehenden Ausführungsbeispiel werden jedoch die beiden Halbleiterkörper 1A, 1B nicht in gleicher, sondern in entgegengesetzter Orientierung angeordnet. Der vorzugsweise p-leitende erste Halbleiterbereich 11A wird mit dem ebenfalls vorzugsweise p-leitenden dritten Halbleiterbereich 11B verbunden.
Zunächst wird auf den einander zugewandten Oberflächen des ersten und dritten Halbleiterbereichs 11A, 11B jeweils eine Zwischenschicht 17 aufgebracht (vgl. 2C). Die Zwischenschichten 17 sind mit Vorteil elektrisch leitend und für die von aktiven Zonen 13A und 13B erzeugte Strahlung durchlässig. Beispielsweise können die Zwischenschichten 17 ein TCO enthalten. Die Zwischenschichten 17 sind für die laterale Stromaufweitung vorgesehen.
Anschließend wird zumindest eine der beiden Zwischenschichten 17 mit einem flüssigen, transparenten und elektrisch isolierenden Klebematerial beschichtet, und die beiden Halbleiterkörper 1A, 1B werden zusammengefügt. Nach dem Aushärten des Klebematerials ist zwischen den beiden Halbleiterkörpern 1A, 1B eine Verbindungsschicht 9 ausgebildet, welche die beiden Halbleiterkörper 1A, 1B zusammenhält (vgl. 2D).
Die Verbindungsschicht 9 ist vorzugsweise elektrisch isolierend und weist bevorzugt mindestens eines der folgenden Materialien auf: Silikonharz, Epoxidharz, Acrylat, Polyurethan, Polyester, Polythioester, Spin-on Glas, Komposit aus Metalloxid-Nanopartikeln wie SiO2, TiO2, Ta2O5 oder Al2O3, Komposit aus Metallnitrid-Nanopartikeln wie Si4N3 oder AlN.
Von dem ersten Halbleiterkörper 1A wird das Aufwachssubstrat 2 entfernt, was beispielsweise durch Laser-Lift-Off geschehen kann. Die frei gelegte Oberfläche, die der ersten Hauptfläche 6 des Schichtenstapels entspricht, wird mit Vorteil aufgeraut (vgl. 2E). Die Aufrauung kann beispielsweise durch nasschemisches oder trockenchemisches Ätzen erfolgen.
In den Schichtenstapel aus erstem und zweitem Halbleiterkörper 1A, 1B wird ausgehend von der Hauptfläche 6 ein Durchbruch 15a eingebracht.
Der Durchbruch 15a erstreckt sich durch die beiden aktiven Zonen 13A, 13B hindurch bis in den vierten Halbleiterbereich 12B und endet dort vor der zweiten Haupfläche 14.
Es wird eine erste Isolierschicht 5a aufgebracht, die den Durchbruch 15a bis auf eine Aussparung im vierten Halbleiterbereich 12B auskleidet. Weiterhin wird in dem Durchbruch 15a der zweite Kontakt 4 vorgesehen. Dieser ist auf der Isolierschicht 5a, welche die aktiven Zonen 13A, 13B voneinander elektrisch isoliert, angeordnet und füllt die Aussparung in der Isolierschicht 5a aus. Weiterhin erstreckt sich der zweite Kontakt 4 bis auf die erste Hauptfläche 6 und weist dort eine Öffnung auf (vgl. 2F). Eine weitere Isolierschicht 5b wird auf dem gesamten zweiten Kontakt 4 aufgebracht. Diese weist an derselben Stelle wie der zweite Kontakt 4 eine Öffnung auf.
Der von dem zweiten Kontakt 4 und der Isolierschicht 5b unbedeckte Bereich der ersten Hauptfläche 6 ist für die Ausbildung eines weiteren Durchbruchs 15b in dem Schichtenstapel vorgesehen (vgl. 2G).
Der weitere Durchbruch 15b reicht von der ersten Hauptfläche 6 bis zur Zwischenschicht 17 des zweiten Halbleiterkörpers 1B und weist ein mehrstufiges Profil auf. Zur Herstellung des weiteren Durchbruchs 15b wird zunächst ein erstes Loch ausgebildet, das sich von der ersten Hauptfläche 6 bis zur Zwischenschicht 17 des ersten Halbleiterkörpers 1A erstreckt.
Dann wird das erste Loch seitlich mit einer Isolierschicht 5c versehen.
Ausgehend vom unteren Ende des ersten Lochs wird ein zweites Loch zentral ausgebildet, das von der Zwischenschicht 17 des ersten Halbleiterkörpers 1A bis zur Zwischenschicht 17 des zweiten Halbleiterkörpers 1B reicht.
Anschließend wird der aus erstem und zweitem Loch gebildete weitere Durchbruch 15b sowie der Durchbruch 15a mit einer Beschichtung ausgekleidet, die ferner die erste Hauptfläche 6 teilweise bedeckt. Die Beschichtung bildet den ersten Kontakt 3.
Die Löcher beziehungsweise Durchbrüche 15a, 15b können in Anordnung, Durchmesser, Anzahl und Dichte auf der ersten Hauptfläche 6 dem jeweiligen Halbleitermaterial angepasst werden. Die Herstellung der Löcher beziehungsweise Durchbrüche 15a, 15b kann durch nasschemisches oder trockenchemisches Ätzen oder durch Laserbohren geschehen.
Nach dem Aufbringen des ersten Kontakts wird der Schichtenstapel mit einer weiteren Isolierschicht 5d überzogen.
Auf der Seite des abgelösten Aufwachssubstrates wird der Schichtenstapel durch eine Haftschicht 7, beispielsweise eine Bond- oder Klebeschicht, mit einem Trägersubstrat 8 verbunden (vgl. 2H). Das Trägersubstrat 8 kann zum Beispiel Ge, Al2O3, AlN, Glas, Cu oder andere Metalle enthalten.
Das noch vorhandene Aufwachssubstrat 2 des zweiten Halbleiterkörpers 1B kann anschließend abgelöst werden, beispielsweise durch Laser-Lift-Off. Mit Vorteil wird die frei gelegte Oberfläche gezielt aufgeraut, was zum Beispiel durch nasschemisches oder trockenchemisches Ätzen erfolgen kann (vgl. 2I).
In 2J ist ein gemäß dem in den 2A bis 2I beschriebenen Verfahren hergestellter optoelektronischer Halbleiterchip 100 dargestellt. Am Chiprand sind die aktiven Zonen 13A, 13B durchtrennt, und die beiden Kontakte 3, 4 sind freigelegt. Der Materialabtrag an den Seitenflanken kann mittels nass- oder trockenchemischem Ätzen erfolgen.
Bei der in 2J dargestellten Ausführungsform eines optoelektronischen Halbleiterchips 100 sind die erste und die zweite Halbleiterschichtenfolge 10A, 10B in entgegengesetzter Orientierung angeordnet, und die pn-Übergänge bilden ausgehend von dem vierten Halbleiterbereich 12B eine np-pn-Strukur.
Die beiden Halbleiterschichtenfolgen 10A, 10B sind parallel geschaltet. Mittels der Zwischenschichten 17 sind der erste und der dritte Halbleiterbereich 11A, 11B, die vorzugsweise p-leitend sind, mit dem ersten Kontakt 3 elektrisch verbunden. Der zweite und der vierte Halbleiterbereich 12A, 12B, die vorzugsweise n-leitend sind, stehen in direktem Kontakt mit dem zweiten Kontakt 4 und sind mit diesem elektrisch verbunden. Obwohl in den Durchbruch 15a der erste und der zweite Kontakt 3, 4 hineinragen, ist in diesem Durchbruch 15a nur der zweite Kontakt 4 elektrisch wirksam. Der erste Kontakt 3 ist durch die Isolierschicht 5b gegenüber dem Schichtenstapel elektrisch isoliert. Hingegen ist der erste Kontakt 3 in dem anderen Durchbruch 15b mit einem Teil des Schichtenstapels elektrisch verbunden.
Eine andere Variante eines optoelektronischen Halbleiterchips 100 mit parallel geschalteten Halbleiterschichtenfolgen 10A, 10B ist in 2K dargestellt. Hierbei ist nur ein Durchbruch 15 vorgesehen, der ein mehrstufiges Profil aufweist. Die beiden Kontakte 3, 4 sind in dem Durchbruch 15 konzentrisch angeordnet und durch eine Isolierschicht 5b voneinander elektrisch isoliert. Mit nur einem Durchbruch 15 ist die durchbrochene Fläche in der ersten aktive Zone 13A verringert. Jedoch kann sich die Herstellung aufwändiger gestalten als bei dem Halbleiterchip mit zwei Durchbrüchen.
Zunächst wird ein erstes Loch hergestellt, das von der Hauptfläche 6 bis zur Zwischenschicht 17 des ersten Halbleiterkörpers 1A reicht. Teilbereiche der ersten Hauptfläche 6 sowie Seitenwände des ersten Lochs werden mit einer ersten Isolierschicht 5a überzogen.
Es wird ein zweites Loch ausgebildet, das sich von der Zwischenschicht 17 des ersten Halbleiterkörpers 1A bis zur Zwischenschicht 17 des zweiten Halbleiterkörpers 1B erstreckt. Das zweite Loch weist einen kleineren Durchmesser auf als das erste Loch. Zweites und erstes Loch werden mit dem ersten Kontakt 3 in Form einer Beschichtung ausgekleidet. Ferner wird der erste Kontakt 3 auf Teilbereichen der ersten Hauptfläche 6 angeordnet.
Ein drittes Loch wird in dem Schichtenstapel erzeugt, das von der Zwischenschicht 17 des zweiten Halbleiterkörpers 1B bis in den vierten Halbleiterbereich 12B reicht. Das dritte Loch weist einen kleineren Durchmesser auf als das zweite Loch. Alle drei Löcher sind konzentrisch angeordnet. Eine zweite Isolierschicht 5b wird auf den ersten Kontakt 3 aufgebracht und im vierten Halbleiterbereich 12B mit einer Öffnung versehen. Nach Ausbildung des zweiten Kontakts 4 auf der Isolierschicht 5b füllt der zweite Kontakt 4 diese Öffnung aus, so dass eine elektrische Verbindung zwischen dem zweiten Kontakt 4 und dem vierten Halbleiterbereich 12B hergestellt ist. Schließlich wird die erste Hauptfläche 6 sowie der zweite Kontakt 4 von einer dritten Isolierschicht 5c überdeckt.
Alle weiteren Schritte können gemäß den Schritten, wie sie im Zusammenhang mit den 2A bis 2E, 2H und 2I beschrieben wurden, vorgenommen werden.
Die 3A bis 3M zeigen Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips mit antiparallel geschalteten Halbleiterschichtenfolgen.
Die ersten in 3A und 3B gezeigten Schritte werden entsprechend den in 1A und 1B dargestellten Schritten durchgeführt.
3C zeigt einen nächsten Verfahrensschritt, bei dem auf einer Oberfläche des ersten Halbleiterbereichs 11A, die später der ersten Hauptfläche des Schichtenstapels entspricht, eine Stromaufweitungsschicht 18 zur verbesserten Stromverteilung auf der p-Seite aufgebracht wird. Mit Vorteil enthält die Stromaufweitungsschicht 18 ein TCO.
Die Stromaufweitungsschicht 18 weist eine zentrale Öffnung auf, in deren Bereich später im Schichtenstapel ein Durchbruch vorgesehen wird. Auf die Stromaufweitungsschicht 18 wird eine Isolierschicht 5a aufgebracht, die im Bereich der zentralen Öffnung und auf den beiden Teilbereichen der Stromaufweitungsschicht 18 jeweils eine Aussparung aufweist.
Diese Aussparungen werden später mit einer ersten Anschlussschicht ausgekleidet.
Zunächst wird aber auf die Isolierschicht 5a der erste Kontakt 3 in Form einer Beschichtung aufgebracht. Der erste Kontakt 3 weist im Bereich der Aussparungen der Isolierschicht 5a ebenfalls Aussparungen auf. Der erste Kontakt 3 wird wiederum mit einer Isolierschicht 5b bedeckt (vgl. 3D).
Dann wird die erste Anschlusschicht 4a auf dem ersten Halbleiterkörper 1A angeordnet. Die erste Anschlusschicht 4a weist keine Öffnungen auf. Die Aussparungen in den Isolierschichten 5a, 5b und der Stromaufweitungsschicht 18 werden von der ersten Anschlusschicht 4a ausgekleidet. Auf der ersten Anschlusschicht 4a wird eine weitere Isolierschicht 5c aufgebracht (vgl. 3E).
Der erste Halbleiterkörper 1A wird auf einer dem Aufwachssubstrat 2 gegenüber liegenden Seite mittels der Haftschicht 7 mit dem Trägersubstrat 8 verbunden (vgl. 3F).
Das Aufwachssubstrat 2 des ersten Halbleiterkörpers 1A kann dann abgelöst werden. Vorzugsweise wird die frei gelegte Oberfläche gezielt aufgeraut (vgl. 3G).
Mindestens einer der beiden Halbleiterkörper 1A, 1B wird mit flüssigem, transparentem und elektrisch leitfähigem Klebematerial beschichtet. Die beiden Halbleiterkörper 1A, 1B werden zusammengefügt, und das Klebematerial wird ausgehärtet. Die beiden Halbleiterkörper 1A, 1B werden dann durch die elektrisch leitende Verbindungsschicht 9 zusammengehalten (vgl. 3H).
Das verbliebene Aufwachssubstrat 2 des zweiten Halbleiterkörpers 1B kann auch abgetrennt werden. Mit Vorteil wird die frei gelegte Oberfläche gezielt aufgeraut (vgl. 3I). Diese Oberfläche bildet die zweite Hauptfläche 14 des Schichtenstapels.
Ausgehend von der zweiten Hauptfläche 14 wird in die zweite Schichtenfolge 10B ein erstes Loch eingebracht. Das erste Loch verjüngt sich mit zunehmender Tiefe. Es endet an der Verbindungsschicht 9 (vgl. 3J).
Es wird ein zweites Loch ausgebildet, das sich von der Verbindungsschicht 9 bis zur ersten Hauptfläche 6 erstreckt. Das zweite Loch weist einen kleineren Durchmesser auf als das erste Loch. Es verjüngt sich mit zunehmender Tiefe und endet im Bereich der Aussparung des ersten Kontakts 3. Die beiden Löcher sind konzentrisch angeordnet und bilden zusammen den Durchbruch 15, der ein mehrstufiges Profil aufweist. Die Herstellung der Löcher kann durch nasschemisches oder trockenchemisches Ätzen oder durch Laserbohren erfolgen.
Das zweite Loch wird mit einer Isolierschicht 5d ausgekleidet (vgl. 3K).
Auf die Isolierschicht 5d wird eine elektrisch leitende Beschichtung aufgebracht, die sich von der ersten Hauptfläche 6 bis in das erste Loch erstreckt und die Verbindungsschicht 9 berührt. Die Beschichtung ist ein Teil des ersten Kontakts 3. Der erste Kontakt 3 verläuft somit von der ersten Hauptfläche 6 bis zur Verbindungsschicht 9.
Der Durchbruch 15 wird mit einer weiteren Isolierschicht 5e ausgekleidet, welche den ersten Kontakt 3 sowie die Seitenwände des ersten Lochs bedeckt (vgl. 3L).
Schließlich werden der Durchbruch 15 und die zweite Hauptfläche 14 mit einer zweiten Anschlussschicht 4b versehen. Die zweite Anschlussschicht 4b berührt die erste Anschlussschicht 4a im Bereich der ersten Hauptfläche. Die beiden Anschlussschichten 4a, 4b bilden zusammen den zweiten Kontakt. Während die erste Anschlussschicht 4a vorzugsweise ein Metall oder eine Metallverbindung enthält, kann die zweite Anschlussschicht 4b ein TCO enthalten. Somit kann über die zweite Anschlussschicht 4b Strahlung aus dem Halbleiterchip auskoppeln.
Der fertige optoelektronische Halbleiterchip 100 ist in 3N dargestellt.
Die beiden Halbleiterschichtenfolgen 10A, 10B sind antiparallel geschaltet und in gleicher Orientierung angeordnet, wobei die pn-Übergänge ausgehend von dem vierten Halbleiterbereich 12B eine np-np-Strukur bilden.
Der zweite und der dritte Halbleiterbereich 12A, 11B sind mit dem ersten Kontakt 3 und der erste und der vierte Halbleiterbereich 11A, 12B mit dem zweiten Kontakt, der von der ersten und der zweiten Anschlussschicht 4a, 4b gebildet wird, elektrisch verbunden.
Sowohl der erste Kontakt 3 als auch der zweite Kontakt ragen in den Durchbruch 15 hinein.
An den Halbleiterchip 100 kann eine Wechselspannung angelegt werden, wobei die antiparallel geschalteten aktiven Zonen 13A, 13B abwechselnd Strahlung erzeugen. Dies wird durch das Schaltbild gemäß 3O verdeutlicht, wobei K1 für den ersten Kontakt und K2 für den zweiten Kontakt stehen.
Die beschriebenen Bauteilarchitekturen lassen sich auch auf drei oder mehr gestapelte p-n-Übergänge ausdehnen. Dabei können die einzelnen aktiven Zonen auch Licht unterschiedlicher Wellenlängen emittieren, wodurch Breitband-LEDs oder auch weiß emittierende LEDs realisiert werden können. Die aktiven Zonen mit unterschiedlichen Emissionsfarben können innerhalb des Stapels aus antiparallel geschalteten Halbleiterschichtenfolgen angeordnet werden oder innerhalb einer Reihenschaltung solcher Stapel gleicher Emissionsfarbe vorkommen.
Durch Reihenschaltung von antiparallelen Stapeln innerhalb eines Chips kann der Chip auf eine vorgegebene Wechselspannung abgestimmt werden.
Eine derartige Reihenschaltung kann besonders einfach dadurch realisiert werden, dass neben dem Schichtenstapel des Halbleiterchips 100 ein weiterer identischer Schichtenstapel auf dem Trägersubstrat 8 angeordnet wird, wobei vorzugsweise die erste Anschlussschicht 4a des einen Schichtenstapels mit dem ersten Kontakt 3 des anderen Schichtenstapels elektrisch verbunden wird.
Die 4A bis 4K zeigen Schritte eines weiteren Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips mit antiparallel geschalteten Halbleiterschichtenfolgen.
Die ersten in 4A und 4B gezeigten Schritte werden entsprechend den in 1A und 1B dargestellten Schritten durchgeführt.
4C zeigt einen nächsten Verfahrensschritt, bei dem auf einer Oberfläche des ersten Halbleiterbereichs 11A, die später der ersten Hauptfläche des Schichtenstapels entspricht, eine erste Anschlussschicht 3a aufgebracht wird. Die erste Anschlussschicht 3a wird mit einer zentralen Aussparung versehen. Der ersten Anschlussschicht 3a wird eine Isolierschicht 5a nachgeordnet, die an der gleichen Stelle wie die erste Anschlussschicht 3a eine zentrale Aussparung aufweist.
In dem ersten Halbleiterkörper 1A wird im Bereich der Aussparung ein Durchbruch 15a ausgebildet, der von der ersten Hauptfläche 6 bis zum Aufwachssubstrat 2 reicht. Der Durchbruch 15a wird mit einer Isolierschicht 5b ausgekleidet (vgl. 4D). Der Durchbruch 15a kann in Anordnung, und Durchmesser dem jeweiligen Halbleitermaterial angepasst werden. Die Herstellung des Durchbruchs 15a kann durch nasschemisches oder trockenchemisches Ätzen oder durch Laserbohren erfolgen. Es sei angemerkt, dass auch mehr als ein Durchbruch ausgebildet werden kann. Den Isolierschichten 5a, 5b wird der zweite Kontakt 4 nachgeordnet. Dieser bedeckt die erste Hauptfläche 6 zumindest teilweise und kleidet den Durchbruch 15a aus. Auf dem zweiten Kontakt 4 wird wiederum eine Isolierschicht 5c angeordnet (vgl. 4E).
Mittels metallischem Bonden oder mittels Kleben wird ein Trägersubstrat 8 an dem ersten Halbleiterkörper 1A befestigt. Das Trägersubstrat 8 und der erste Halbleiterkörper 1A sind dann durch die Haftschicht 7 miteinander mechanisch verbunden (vgl. 4F).
Das Aufwachssubstrat 2 des ersten Halbleiterkörpers 1A kann daraufhin abgelöst und die frei gelegte Oberfläche aufgeraut werden (vgl. 4G).
In einem nachfolgenden Schritt wird mindestens einer der beiden Halbleiterkörper 1A, 1B auf einer Oberfläche, die dem jeweils anderen Halbleiterkörper zugewandt ist, mit einem flüssigen, transparenten und elektrisch leitfähigen Klebematerial beschichtet. Die beiden Halbleiterkörper 1A, 1B werden zusammengefügt, und das Klebematerial wird ausgehärtet. Durch die elektrisch leitende Verbindungsschicht 9 werden die beiden Halbleiterkörper 1A, 1B nach dem Aushärten zusammengehalten.
Daraufhin kann auch das Aufwachssubstrat 2 des zweiten Halbleiterkörpers abgelöst und die frei gelegte Oberfläche aufgeraut werden (vgl. 4I).
Ausgehend von der zweiten Hauptfläche 14 wird in dem Schichtenstapel aus erster und zweiter Halbleiterschichtenfolge 10A, 10B ein weiterer Durchbruch 15b hergestellt, der bis zur ersten Anschlussschicht 3a reicht. Im Bereich des Durchbruchs 15b ist ein Teil der ersten Anschlussschicht 3a infolge unbedeckt. In den Durchbruch 15b wird eine Isolierschicht 5d eingebracht, welche die Seitenwände des Durchbruchs 15b bedeckt und sich bis zur zweiten Hauptfläche 14 erstreckt (vgl. 4J).
Auf der zweiten Hauptfläche 14 wird eine zweite Anschlussschicht 3b aufgebracht. Ferner wird der Durchbruch 15b mit der zweiten Anschlussschicht 3b ausgekleidet.
Infolgedessen wird die erste Anschlussschicht 3a von der zweiten Anschlussschicht 3b berührt, und die beiden Anschlussschichten 3a, 3b sind elektrisch verbunden (vgl. 4K). Während die erste Anschlussschicht 3a vorzugsweise ein Metall oder eine Metallverbindung enthält, kann die zweite Anschlussschicht 3b insbesondere ein TCO aufweisen. Die beiden Anschlussschichten 3a, 3b bilden zusammen den ersten Kontakt.
Die pn-Übergänge werden am Chiprand durchtrennt. Außerdem werden die erste Anschlussschicht 3a und der zweite Kontakt 4 am Chiprand frei gelegt.
Das Ergebnis eines derartigen Verfahrens ist in 4L gezeigt.
Der optoelektronische Halbleiterchip 100 weist eine erste und eine zweite Halbleiterschichtenfolge 10A, 10B auf, die antiparallel geschaltet und in gleicher Orientierung angeordnet sind, wobei die pn-Übergänge der beiden Halbleiterschichtenfolgen 10A, 10B ausgehend von dem vierten Halbleiterbereich 12B eine np-np-Strukur bilden.
Die beiden Halbleiterschichtenfolgen 10A, 10B werden mittels der elektrisch leitenden Verbindungsschicht 9 zusammengehalten.
Der zweite Halbleiterbereich 12A und der dritte Halbleiterbereich 11B sind mit dem zweiten Kontakt 4 elektrisch verbunden. Der erste Halbleiterbereich 11A und der vierte Halbleiterbereich 12B sind mit dem ersten Kontakt elektrisch verbunden.
Im Betrieb tritt die von den aktiven Zonen 13A, 13B erzeugte Strahlung durch die Strahlungsauskoppelfläche 16 aus dem optoelektronischen Halbleiterchip 100 aus.
An den Halbleiterchip 100 kann eine Wechselspannung angelegt werden, wobei die antiparallel geschalteten aktiven Zonen 13A, 13B abwechselnd Strahlung erzeugen. Dies wird durch das Schaltbild gemäß 4M verdeutlicht, wobei K1 für den ersten Kontakt und K2 für den zweiten Kontakt stehen.
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 Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Optoelektronischer Halbleiterchip (100) mit – einem Schichtenstapel aufweisend – eine erste Halbleiterschichtenfolge (10A), die einen ersten Halbleiterbereich (11A) eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen zweiten Halbleiterbereich (12A) eines zweiten Leitfähigkeitstyps und eine zwischen dem ersten und dem zweiten Halbleiterbereich (11A, 12A) angeordnete erste aktive Zone (13A) zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung aufweist, und – eine zweite Halbleiterschichtenfolge (10B), die einen dritten Halbleiterbereich (11B) eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen vierten Halbleiterbereich (12B) eines zweiten Leitfähigkeitstyps und eine zwischen dem dritten und dem vierten Halbleiterbereich (11B, 12B) angeordnete zweite aktive Zone (13B) zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung aufweist, wobei die beiden Halbleiterschichtenfolgen (10A, 10B) übereinander angeordnet sind, – einem ersten und einem zweiten elektrischen Kontakt (3, 4), die zumindest teilweise auf einer ersten Hauptfläche (6) des Schichtenstapels angeordnet sind, – mindestens einem Durchbruch (15, 15a, 15b), der sich von der ersten Hauptfläche (6) durch mindestens eine der beiden aktiven Zonen (13A, 13B) hindurch in Richtung einer zweiten Hauptfläche (14) erstreckt, wobei mindestens einer der beiden elektrischen Kontakte (3, 4) in den Durchbruch (15, 15a, 15b) hineinragt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach Anspruch 1, wobei die beiden Halbleiterchichtenfolgen (10A, 10B) separate Halbleiterkörper (1A, 1B) sind, die mittels einer Verbindungsschicht (9), die insbesondere für die erzeugte Strahlung durchlässig ist, miteinander mechanisch verbunden sind.
Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach Anspruch 2, wobei die Verbindungsschicht (9) ein elektrisch isolierendes oder ein elektrisch leitendes Material enthält.
Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Halbleiterschichtenfolge (10A, 10B) in gleicher Orientierung angeordnet sind.
Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden Halbleiterschichtenfolgen (10A, 10B) in Serie geschaltet sind.
Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Halbleiterbereich (11A) mit dem ersten Kontakt (3) elektrisch verbunden ist und der vierte Halbleiterbereich (12B) mit dem zweiten Kontakt (4), der vorzugsweise durch den Durchbruch (15) verläuft, elektrisch verbunden ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste und die zweite Halbleiterschichtenfolge (10A, 10B) in entgegengesetzter Orientierung angeordnet sind.
Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach Anspruch 7, wobei die beiden Halbleiterschichtenfolgen (10A, 10B) parallel geschaltet sind.
Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach Anspruch 7 oder 8, wobei – der zweite Kontakt (4) in den Durchbruch (15, 15a) hineinragt, – sich der Durchbruch (15, 15a) von der ersten Hauptfläche (6) bis in den vierten Halbleiterbereich (12B) erstreckt, – der vierte Halbleiterbereich (12B) auf der Seite der zweiten Hauptfläche (14) angeordnet ist, – der erste und der dritte Halbleiterbereich (11A, 11B) mit dem ersten Kontakt (3) und der zweite und der vierte Halbleiterbereich (11A, 11B) mit dem zweiten Kontakt (4) elektrisch verbunden sind.
Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach Anspruch 9, wobei der erste Kontakt (3) in den Durchbruch (15, 15a) hineinragt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach Anspruch 9 oder 10, wobei – ein weiterer Durchbruch (15b) vorgesehen ist, der sich von der ersten Hauptfläche (6) bis zur Verbindungsschicht (9) erstreckt, – der erste Kontakt (3) in den weiteren Durchbruch (15b) hineinragt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die beiden Halbleiterschichtenfolgen (10A, 10B) antiparallel geschaltet sind.
Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach Anspruch 12, wobei – der erste Kontakt (3) in den Durchbruch (15, 15b) hineinragt, – sich der Durchbruch (15b) von der ersten Hauptfläche (6) bis zur zweiten Hauptfläche (14) erstreckt, – der vierte Halbleiterbereich (12B) auf der Seite der zweiten Hauptfläche (14) angeordnet ist, – der zweite und der dritte Halbleiterbereich (12A, 11B) mit dem ersten (3) und der erste und der vierte Halbleiterbereich (11A, 12B) mit dem zweiten Kontakt (4) elektrisch verbunden sind oder der zweite und der dritte Halbleiterbereich (12A, 11B) mit dem zweiten (4) und der erste und der vierte Halbleiterbereich (11A, 12B) mit dem ersten Kontakt (3) elektrisch verbunden sind.
Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach Anspruch 13, wobei der zweite Kontakt (3) in den Durchbruch (15) hineinragt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach Anspruch 13, wobei – ein weiterer Durchbruch (15a) vorgesehen ist, der sich von der ersten Hauptfläche (6) bis zur Verbindungsschicht (9) erstreckt, – der zweite Kontakt (4) in den weiteren Durchbruch (15a) hineinragt.