DE102010032497A1

DE102010032497A1 - Strahlungsemittierender Halbleiterchip und Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterchips

Info

Publication number: DE102010032497A1
Application number: DE102010032497A
Authority: DE
Inventors: Dr. Eissler Dieter; Dr. Plößl Andreas
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2012-02-02
Also published as: CN103026510A; JP2013535828A; US20130214322A1; KR20130060272A; EP2599131A1; WO2012013523A1; US8946761B2

Abstract

Es wird ein strahlungsemittierender Halbleiterchip (1) angegeben, der einen Träger (5) und einen auf dem Träger angeordneten Halbleiterkörper (2) mit einer Halbleiterschichtenfolge, die einen zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich (23), einen n-leitenden Bereich (21) und eine auf einer dem aktiven Bereich abgewandten Seite des n-leitenden Bereichs angeordnete Deckschicht (24) umfasst, aufweist. Auf der Deckschicht ist eine Kontaktstruktur (4) zur externen elektrischen Kontaktierung des n-leitenden Bereichs angeordnet und die Deckschicht weist zumindest eine Aussparung (3) auf, durch die sich die Kontaktstruktur zum n-leitenden Bereich erstreckt. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterchips angegeben.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip.
Bei der epitaktischen Abscheidung von Halbleiterschichten für strahlungsemittierende Halbleiterchips, beispielsweise Lumineszenzdioden, werden oftmals zur Erhöhung der kristallinen Qualität vor der Abscheidung der für die optoelektronischen Eigenschaften maßgeblichen Bauelementschichten Pufferschichten und/oder das epitaktische Wachstum fördernde Anwachsschichten abgeschieden. Diese Schichten können aufgrund ihrer vergleichsweise geringen elektrischen Leitfähigkeit die elektrische Kontaktierung der Bauelementschichten erschweren.
Eine Aufgabe ist es, einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip anzugeben, der vereinfacht elektrisch kontaktierbar ist und zuverlässig herstellbar ist. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen strahlungsemittierenden Halbleiterchips angegeben werden.
Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Gemäß einer Ausführungsform weist ein strahlungsemittierender Halbleiterchip einen Träger und einen auf dem Träger angeordneten Halbleiterkörper mit einer Halbleiterschichtenfolge auf. Die Halbleiterschichtenfolge umfasst einen zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich, einen n-leitenden Bereich und eine auf einer dem aktiven Bereich abgewandten Seite des n-leitenden Bereichs angeordnete Deckschicht. Auf der Deckschicht ist eine Kontaktstruktur zur externen elektrischen Kontaktierung des n-leitenden Bereichs angeordnet und die Deckschicht weist zumindest eine Aussparung auf, durch die sich die Kontaktstruktur zum n-leitenden Bereich erstreckt.
Die elektrische Kontaktierung des n-leitenden Bereichs erfolgt also durch die Aussparung hindurch. Somit kann die elektrische Kontaktierung unabhängig von der elektrischen Leitfähigkeit der Deckschicht erfolgen. Die Deckschicht kann also hinsichtlich anderer physikalischer Eigenschaften optimiert werden. Insbesondere kann die Deckschicht bei der Herstellung des strahlungsemittierenden Halbleiterchips als eine Anwachsschicht und/oder als eine Pufferschicht ausgebildet sein. Bei Anliegen einer externen elektrischen Spannung im Betrieb des strahlungsemittierenden Halbleiterchips kann mittels der Aussparung vermieden werden, dass ein ungewollt hoher Spannungsabfall an der Deckschicht auftritt und dadurch dessen Funktionsfähigkeit beeinträchtigt. Die Effizienz der Strahlungserzeugung kann so gesteigert werden.
Weiterhin kann auf ein großflächiges Entfernen der Deckschicht verzichtet werden. Dadurch wird bei der Herstellung des Halbleiterchips die Bruchgefahr verringert und weiterhin die mechanische Stabilität des Halbleiterchips erhöht.
Mit anderen Worten kann mittels der Kontaktierung des n-leitenden Bereichs durch eine Aussparung in der Deckschicht hindurch eine effiziente elektrische Kontaktierung unter Beibehaltung der optischen, elektrischen und/oder mechanischen Eigenschaften der Deckschicht erzielt werden.
Eine dem aktiven Bereich abgewandte Fläche der Deckschicht bildet vorzugsweise eine erste Hauptfläche des Halbleiterkörpers, wobei der Halbleiterkörper in vertikaler Richtung, also in einer senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichten des Halbleiterkörpers verlaufenden Richtung, von der ersten Hauptfläche begrenzt ist.
Die Kontaktstruktur ist somit außerhalb des epitaktischen Halbleiterkörpers auf dem Halbleiterkörper angeordnet und dient im Betrieb der Halbleiterchips der Injektion von Ladungsträgern in den aktiven Bereich des Halbleiterkörpers.
Zumindest auf der dem n-leitenden Bereich zugewandten Seite ist die Deckschicht vorzugsweise an den n-leitenden Bereich gitterangepasst. Bei der Herstellung kann die Deckschicht also die Funktion einer Pufferschicht und/oder einer Anwachsschicht zur Erhöhung der kristallinen Qualität des aktiven Bereichs erfüllen.
Bei der Herstellung des Halbleiterkörpers kann die Abscheidung der Deckschicht also vor der Abscheidung des n-leitenden Bereichs erfolgen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Deckschicht undotiert oder weist eine Dotierkonzentration von höchstens 1·10¹⁷ cm^–3 auf. Mittels einer solchen Deckschicht ist bei der Herstellung des Halbleiterkörpers eine hohe Kristallqualität vereinfacht erzielbar. Aufgrund der Aussparung in der Deckschicht fällt trotz des vergleichsweise hohen Widerstands einer Deckschicht mit einer solch niedrigen Dotierkonzentration kein signifikanter Anteil der Betriebsspannung an der Deckschicht ab.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Träger auf der dem n-leitenden Bereich abgewandten Seite des aktiven Bereichs angeordnet und weiterhin bevorzugt stoffschlüssig mit dem Halbleiterkörper verbunden.
Bei einer stoffschlüssigen Verbindung werden die, bevorzugt vorgefertigten, Verbindungspartner mittels atomarer und/oder molekularer Kräfte zusammengehalten. Eine stoffschlüssige Verbindung kann beispielsweise mittels einer Verbindungsschicht, die zum Beispiel ein Klebemittel oder ein Lot enthalten kann, erzielt werden. In der Regel geht eine Trennung der Verbindung mit einer Zerstörung der Verbindungsschicht und/oder zumindest eines der Verbindungspartner einher.
Der Träger ist vorzugsweise vom Aufwachssubstrat verschieden. Der Träger muss daher nicht die hohen kristallinen Anforderungen an ein Aufwachssubstrat erfüllen, sondern kann hinsichtlich anderer Eigenschaften, beispielsweise mechanischer Stabilität, thermischer Leitfähigkeit oder großflächiger und kostengünstiger Verfügbarkeit, gewählt werden. Ein Halbleiterchip, bei dem das Aufwachssubstrat vollständig oder zumindest bereichsweise entfernt oder zumindest gedünnt ist, wird auch als Dünnfilm-Halbleiterchip bezeichnet.
Ein Dünnfilm-Halbleiterchip, etwa ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip, kann sich weiterhin im Rahmen der vorliegenden Anmeldung durch mindestens eines der folgenden charakteristischen Merkmale auszeichnen:

– an einer zu einem Trägerelement, z. B. dem Träger, hin gewandten ersten Hauptfläche eines Halbleiterkörpers, der eine Halbleiterschichtenfolge mit einem aktiven Bereich umfasst, insbesondere einer Epitaxieschichtenfolge, ist eine Spiegelschicht aufgebracht oder, etwa als Braggspiegel in der Halbleiterschichtenfolge integriert, ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Halbleiterschichtenfolge erzeugten Strahlung in diese zurückreflektiert;
– die Halbleiterschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich von 20 μm oder weniger, insbesondere im Bereich von 10 μm auf; und/oder
– die Halbleiterschichtenfolge enthält mindestens eine Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichtes in der Halbleiterschichtenfolge führt, d. h. sie weist ein möglichst ergodisch stochastisches Streuverhalten auf.

Ein Grundprinzip eines Dünnfilm-Leuchtdiodenchips ist beispielsweise in I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174–2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist eine Seitenfläche der zumindest einen Aussparung mit einer Beschichtung versehen.
Die Beschichtung kann beispielsweise ein dielektrisches Material enthalten, etwa ein Oxid, ein Nitrid oder ein Oxinitrid.
Der Brechungsindex des dielektrischen Materials ist vorzugsweise klein gegenüber dem angrenzenden Material des Halbleiterkörpers. Je größer die Differenz zwischen den Brechungsindizes ist, desto größer ist der Anteil derjenigen Strahlung, der bei Abstrahlung in Richtung der Aussparung an dem dielektrischen Material totalreflektiert wird und nachfolgend aus dem Halbleiterchip austreten kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Kontaktstruktur zumindest bereichsweise für die im aktiven Bereich erzeugte Strahlung reflektierend ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Kontaktstruktur eine an den n-leitenden Bereich angrenzende Anschlussschicht und eine Reflektorschicht auf. Das Material für die Anschlussschicht ist zweckmäßigerweise hinsichtlich einer guten Schichthaftung und/oder einer guten Kontakteigenschaft zum Halbleiterkörper gewählt. Beispielsweise kann die Anschlussschicht Aluminium oder Titan enthalten.
Die Reflektorschicht weist vorzugsweise für die im aktiven Bereich erzeugte Strahlung eine hohe, insbesondere vom Auftreffwinkel weitgehend unabhängige, Reflektivität auf. Die Reflektorschicht enthält vorzugsweise ein Metall oder eine metallische Legierung. Beispielsweise zeichnen sich Silber, Aluminium, Rhodium, Palladium oder Chrom durch eine hohe Reflektivität im sichtbaren Spektralbereich aus. Gold eignet sich insbesondere für den infraroten Spektralbereich.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Kontaktstruktur eine Kontaktfläche für die externe elektrische Kontaktierung des Halbleiterchips, beispielsweise für eine Drahtbondverbindung, auf. Vorzugsweise schließt die Kontaktfläche die Kontaktstruktur auf der dem Halbleiterkörper abgewandten Seite in vertikaler Richtung ab.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung verläuft die zumindest eine Aussparung in Aufsicht auf den Halbleiterchip zumindest bereichsweise entlang einer Umrandung der Kontaktfläche. Mittels einer solchen Aussparung kann vermieden werden, dass im aktiven Bereich erzeugte Strahlung im Bereich der Kontaktfläche von der Kontaktstruktur absorbiert wird. Bei einem Bauelement mit einem solchen Halbleiterchip, bei dem der Halbleiterchip in einen Verguss eingebettet ist, kann auch eine Absorption von Strahlung, die in dem Verguss, beispielsweise an Strahlungskonvertermaterial oder Diffusormaterial, gestreut und in den Halbleiterchip zurückgekoppelt wird, verringert werden. Die insgesamt aus dem Halbleiterchip beziehungsweise aus dem Bauelement austretende Strahlungsleistung kann also erhöht werden.
Beispielsweise kann die zumindest eine Aussparung die Kontaktfläche rahmenförmig, etwa ringförmig im Falle einer runden Kontaktfläche, umlaufen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Deckschicht eine Mehrzahl von Aussparungen auf, in denen die Kontaktstruktur jeweils an den n-leitenden Bereich angrenzt.
Mittels der Mehrzahl von Aussparungen kann eine in lateraler Richtung, also in einer entlang einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichtenfolge verlaufenden Richtung, gleichmäßige und großflächige Verteilung des im Betrieb in den Halbleiterchip eingeprägten Stroms erzielt werden. In einer bevorzugten Weiterbildung überlappen zumindest zwei der Aussparungen in Aufsicht auf den Halbleiterchip mit der Kontaktfläche. Die Kontaktfläche überdeckt also zumindest zwei der Aussparungen. Mittels der Aussparungen kann in diesem Fall die Stabilität des Halbleiterchips während der Kontaktierung erhöht werden. Insbesondere kann die Kontaktfläche ein den Aussparungen folgendes Muster aufweisen. Infolge einer plastischen Verformung des Drahtbonds kann dies zu einer besseren Verzahnung der Drahtbondverbindung mit dem Halbleiterchip führen. Beispielsweise kann mittels der Aussparungen eine Noppenstruktur mit Erhebungen und/oder Vertiefungen gebildet sein. Der Grad der Verzahnung ist mittels der räumlichen Dichte der Aussparungen und/oder mittels eines Befüllgrads der Aussparungen mit dem Material der Kontaktstruktur einstellbar.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Kontaktstruktur eine Verteilungsschicht auf. Die Verteilungsschicht kann dafür vorgesehen sein, mehrere Aussparungen in der Deckschicht elektrisch leitend miteinander zu verbinden.
Die Verteilungsschicht kann vollflächig oder nur bereichsweise, beispielsweise in zumindest einem Bereich stegartig, auf dem Halbleiterkörper ausgebildet sein.
Als Material für die Verteilungsschicht eignet sich beispielsweise ein Metall, ein Halbmetall oder ein transparentes leitfähiges Oxid (TCO).
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Deckschicht eine Strukturierung auf, die insbesondere zur Erhöhung der Auskoppeleffizienz der im Halbleiterchip erzeugten Strahlung vorgesehen ist. Weiterhin bevorzugt ist die Strukturierung nur bereichsweise auf der Deckschicht ausgebildet. Zumindest in einem Bereich, in dem die Kontaktstruktur ausgebildet ist, ist die Deckschicht vorzugsweise unstrukturiert. Die Strukturierung kann beispielsweise in Form einer Aufrauung oder einer regelmäßigen Strukturierung ausgebildet sein.
Eine unstrukturierte Oberfläche der Deckschicht im Bereich der Kontaktstruktur kann eine besonders einfache und zuverlässige Drahtbondmontage bewirken. Insbesondere reichen für die Kontaktstruktur vergleichsweise geringe Schichtdicken aus, da die Strukturierung nicht mittels einer dicken Kontaktstruktur eingeebnet werden muss. Dadurch kann bei der Herstellung Material für die Abscheidung der Kontaktstruktur eingespart werden. Weiterhin weist eine Kontaktstruktur mit einer glatten Oberfläche eine höhere Reflektivität auf als eine Kontaktstruktur auf einer rauen Oberfläche.
Mit anderen Worten kann auf einer Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips, etwa der ersten Hauptfläche, zumindest ein Lichtauskoppelbereich definiert sein, in dem die Deckschicht die Strukturierung aufweist, wobei in einem lateral an den Lichtauskoppelbereich angrenzenden Bereich die Kontaktstruktur auf einem unstrukturierten Bereich der Deckschicht ausgebildet ist.
Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von Halbleiterchips wird gemäß einer Ausführungsform auf einem Substrat eine Halbleiterschichtenfolge bereitgestellt, die eine Deckschicht, einen zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich und einen n-leitenden Bereich aufweist. Die Halbleiterschichtenfolge wird an einem Träger befestigt. Das Substrat wird entfernt. In der Deckschicht werden Aussparungen ausgebildet. Auf der Deckschicht wird eine Kontaktstruktur ausgebildet, wobei sich die Kontaktstruktur in die Aussparungen hinein erstreckt. Die Halbleiterschichtenfolge mit dem Träger wird in eine Mehrzahl von Halbleiterchips vereinzelt, sodass jeder Halbleiterchip zumindest eine der Aussparungen aufweist.
Das Verfahren muss hierbei nicht notwendigerweise in der Reihenfolge der oben genannten Aufzählung der Herstellungsschritte durchgeführt werden.
Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung eines weiter oben beschriebenen Halbleiterchips, sodass im Zusammenhang mit dem Halbleiterchip beschriebene Merkmale auch für das Verfahren herangezogen werden können und umgekehrt. Mit dem Verfahren können Halbleiterchips hergestellt werden, die sich durch eine hohe kristalline Qualität des aktiven Bereichs und gleichzeitig durch eine gute Kontaktierbarkeit des n-leitenden Bereichs auszeichnen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Kontaktstruktur mittels eines galvanischen Verfahrens abgeschieden. Auf diese Weise sind widerstandsfähige harte Kontaktflächen, etwa für eine Drahtbondverbindung, auf einfache und kostengünstige Weise herstellbar.
Weitere Merkmale, Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
Es zeigen:
die 1A und 1B ein erstes Ausführungsbeispiel für einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip in schematischer Aufsicht (1A) und zugehöriger Schnittansicht (1B);
2 eine vergrößerte Darstellung einer Aussparung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in schematischer Schnittansicht;
die 3A und 3B ein zweites Ausführungsbeispiel für einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip in schematischer Aufsicht (3A) und zugehöriger Schnittansicht (3B);
4 ein drittes Ausführungsbeispiel für einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip in schematischer Aufsicht;
5 ein viertes Ausführungsbeispiel für einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip in schematischer Aufsicht; und
die 6A bis 6D ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterchips anhand von schematisch in Schnittansicht dargestellten Zwischenschritten.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Ein erstes Ausführungsbeispiel für einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip ist in den 1A und 1B schematisch dargestellt. Der Halbleiterchip 1 umfasst einen Halbleiterkörper 2 mit einer Halbleiterschichtenfolge, die den Halbleiterkörper bildet. Die Halbleiterschichtenfolge ist vorzugsweise epitaktisch, etwa mittels MBE oder MOCVD abgeschieden.
Der Halbleiterkörper 2 ist mittels einer stoffschlüssigen Verbindung an einem Träger 5 befestigt. Der Träger ist somit von einem Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterkörpers verschieden. Der Halbleiterchip in diesem Ausführungsbeispiel ist also als ein Dünnfilm-Halbleiterchip ausgebildet. In vertikaler Richtung, also in einer senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichten des Halbleiterkörpers 2 verlaufenden Richtung, erstreckt sich der Halbleiterkörper zwischen einer ersten Hauptfläche 25 und einer zweiten Hauptfläche 26.
Die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterkörpers 2 weist einen zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich 23 auf, der zwischen einem n-leitenden Bereich 21 und einem p-leitenden Bereich 22 angeordnet ist.
Auf der dem aktiven Bereich abgewandten Seite des n-leitenden Bereichs ist eine Deckschicht 24 ausgebildet. Die Deckschicht schließt den Halbleiterkörper in vertikaler Richtung ab. Weiterhin weist die Deckschicht gegenüber dem n-leitenden Bereich eine niedrige Dotierkonzentration auf, beispielsweise eine Dotierkonzentration von höchstens 1·10¹⁷ cm^–3.
Zwischen dem Halbleiterkörper 2 und dem Träger 5 ist eine Spiegelschicht 7 angeordnet, die im aktiven Bereich 23 erzeugte und in Richtung des Trägers 5 abgestrahlte Strahlung reflektiert und in Richtung der ersten Hauptfläche 25 umlenkt. Die erste Hauptfläche 25 dient also als Strahlungsaustrittsfläche.
Zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung ist zwischen dem Halbleiterkörper 2 und dem Träger 5 eine Verbindungsschicht 6 ausgebildet, beispielsweise eine Klebeschicht oder eine Lotschicht.
Seitens der ersten Hauptfläche 25 weist der Halbleiterkörper 2 Aussparungen 3 auf, die sich durch die Deckschicht hindurch in den n-leitenden Bereich 21 hinein oder zumindest zum n-leitenden Bereich hin, erstrecken. In den Aussparungen ist eine Kontaktstruktur 4 ausgebildet, die in den Aussparungen 3 an den n-leitenden Bereich angrenzt und zur externen elektrischen Kontaktierung des Halbleiterchips vorgesehen ist.
Der Aufbau der Aussparungen 3 wird im Zusammenhang mit 2 näher erläutert.
In Aufsicht auf den Halbleiterchip ist die Kontaktstruktur 4 exemplarisch kreisförmig ausgebildet. Eine der Aussparungen 3 ist ringförmig ausgebildet und folgt einer Umrandung 46 der Kontaktstruktur.
Mittels dieser Aussparung wird der Anteil der Strahlung verringert, der im aktiven Bereich erzeugt wird und unterhalb einer Kontaktfläche 40 des Kontakts 4 zumindest teilweise absorbiert würde.
Auf der der Kontaktstruktur 4 gegenüberliegenden Seite des Halbleiterchips ist ein Gegenkontakt 49 ausgebildet. Mittels der Kontaktstruktur und dem Gegenkontakt können im Betrieb des Halbleiterchips Ladungsträger von verschiedenen Seiten in den aktiven Bereich 23 injiziert werden und dort unter Emission von Strahlung rekombinieren.
Die Deckschicht 24 weist eine Strukturierung 8 auf. Die Strukturierung ist in dem Bereich der ersten Hauptfläche des Halbleiterkörpers 2 ausgebildet, der als Lichtaustrittsbereich vorgesehen ist. Die Strukturierung kann beispielsweise mechanisch und/oder chemisch erfolgen.
In dem Bereich, den die Kontaktstruktur in Aufsicht auf den Halbleiterchip bedeckt, ist die erste Hauptfläche 25 unstrukturiert. Die Kontaktstruktur weist somit auf der dem Halbleiterkörper 2 zugewandten Seite eine glatte Oberfläche auf, wodurch die Reflektivität der Kontaktfläche erhöht ist.
Der Halbleiterkörper 2, insbesondere der aktive Bereich 23, weist vorzugsweise ein III-V-Verbindungshalbleitermaterial auf.
III-V-Halbleitermaterialien sind zur Strahlungserzeugung im ultravioletten (Al_xIn_yGa_1-x-yN) über den sichtbaren (Al_xIn_yGa_1-x-yN, insbesondere für blaue bis grüne Strahlung, oder Al_xIn_yGa_1-x-yP, insbesondere für gelbe bis rote Strahlung) bis in den infraroten (Al_xIn_yGa_1-x-yAs) Spektralbereich besonders geeignet. Hierbei gilt jeweils 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1, insbesondere mit x ≠ 1, y ≠ 1, x ≠ 0 und/oder y ≠ 0. Mit III-V-Halbleitermaterialien, insbesondere aus den genannten Materialsystemen, können weiterhin bei der Strahlungserzeugung hohe interne Quanteneffizienzen erzielt werden.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Kontaktierung des p-leitenden Bereichs 22 flächig durch den Träger 5 hindurch. In diesem Fall ist der Träger zweckmäßigerweise elektrisch leitend ausgeführt. Beispielsweise kann der Träger ein Halbleitermaterial enthalten, etwa Silizium, Germanium oder Galliumarsenid. Davon abweichend kann aber auch ein elektrisch isolierendes Material für den Träger 5 Anwendung finden, beispielsweise Saphir oder eine Keramik, etwa Aluminiumnitrid oder Bornitrid. In diesem Fall kann die elektrische Kontaktierung des p-leitenden Bereichs 22 beispielsweise durch eine Aussparung in dem Träger 5 oder durch eine Ausnehmung in dem Halbleiterkörper 2, die sich von der ersten Hauptfläche 25 zum p-leitenden Bereich 22 hin erstreckt, erfolgen.
Ein Ausschnitt einer Aussparung 3 gemäß dem in Zusammenhang mit den 1A und 1B beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel ist in 2 in schematischer Schnittansicht dargestellt.
Eine laterale Ausdehnung der Aussparungen 3 ist vorzugsweise klein gegenüber der lateralen Ausdehnung des Halbleiterchips 1. Im Unterschied zu einer großflächigen oder gar vollflächigen Entfernung der Deckschicht 24 bewirken die Aussparungen 3 keine signifikante Beeinträchtigung der mechanischen Stabilität des Halbleiterchips. Die laterale Ausdehnung der Ausnehmung 3 beträgt vorzugsweise höchstens 40 μm, besonders bevorzugt höchstens 20 μm.
Eine Seitenfläche 30 der Aussparung 3 ist mit einer Beschichtung 35 versehen. Die Beschichtung enthält vorzugsweise ein dielektrisches Material, etwa ein Oxid, beispielsweise Siliziumoxid oder Titanoxid, ein Nitrid, beispielsweise Siliziumnitrid, oder ein Oxinitrid, beispielsweise Siliziumoxinitrid.
Der Brechungsindex der Beschichtung 35 ist vorzugsweise kleiner als der Brechungsindex des an die Aussparung 3 angrenzenden Halbleitermaterials, sodass ein möglichst großer Anteil der in Richtung der Kontaktstruktur 4 abgestrahlte Strahlung an der Seitenfläche 30 totalreflektiert wird.
Davon abweichend kann auf eine solche Beschichtung aber auch verzichtet werden. In diesem Fall grenzt die Kontaktstruktur 4 an der Seitenfläche 30 unmittelbar an die Seitenfläche 30 an.
Die Kontaktstruktur 4 weist eine Anschlussschicht 41 auf, die in der Aussparung 3 an den n-leitenden Bereich angrenzt. Die Anschlussschicht ist zweckmäßigerweise bezüglich des verwendeten Materials im Hinblick auf eine möglichst gute Schichthaftung zum Halbleiterkörper 2 und auf eine gute elektrische Kontakteigenschaft hin ausgewählt. Beispielsweise eignet sich Aluminium oder Titan. Weitere Materialien für einen Anschluss an einen n-leitenden Bereich sind in der Druckschrift Q. Z. Liu and S. S. Lau in Solid-State Electronics Vol. 42, No. 5, pp. 677–691 (1998) beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit explizit in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
Weiterhin weist die Kontaktstruktur 4 eine Reflektorschicht 42 auf, die für die im aktiven Bereich erzeugte Strahlung reflektierend ausgebildet ist. Beispielsweise eignet sich für den sichtbaren Spektralbereich Silber, Aluminium, Rhodium, Chrom oder Palladium. Im infraroten Spektralbereich eignet sich beispielsweise Gold.
Ferner weist die Kontaktstruktur 4 eine Verteilungsschicht 43 auf. Mittels der Verteilungsschicht ist die zur externen elektrischen Kontaktierung vorgesehene Kontaktfläche 40 gebildet.
Von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel abweichend kann auf die Verteilungsschicht 43 auch verzichtet werden. In diesem Fall kann die Kontaktfläche 40 mittels der Reflektorschicht gebildet sein.
Auf der Kontaktfläche 40 ist ein Muster ausgebildet, das der Anordnung der Aussparungen 3 folgt. Die Kontaktfläche weist also im Bereich der Aussparungen jeweils Erhebungen 44 auf, sodass eine noppenartige Struktur entsteht. Bei der Herstellung einer Drahtbondverbindung mit der Kontaktfläche 40 kann durch diese noppenartige Struktur eine Verzahnung erfolgen, wodurch sich die Stabilität der Drahtbondverbindung erhöhen kann.
Von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel abweichend, können die Ausnehmungen 3 auch nur teilweise befüllt sein. In diesem Fall kann auf der Kontaktfläche 40 ein Muster entstehen, bei dem im Bereich der Aussparungen 3 jeweils Vertiefungen ausgebildet sind.
Das Muster der Kontaktfläche 40 ist also mittels des Befüllgrads der Aussparungen und/oder mittels der Dichte der Aussparungen einstellbar.
Die beschriebene Ausgestaltung der Aussparung 3 und der Kontaktstruktur 4 kann auch für die nachfolgend im Zusammenhang mit den weiteren Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele Anwendung finden.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip ist in den 3A und 3B in schematischer Aufsicht beziehungsweise schematischer Schnittansicht dargestellt. Dieses zweite Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den 1A und 1B beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel.
Im Unterschied hierzu ist die Kontaktstruktur 4 in einem Eckbereich des Halbleiterchips 1 angeordnet. So kann vermieden werden, dass ein Bonddraht eine Abschattung der Strahlungsaustrittsfläche bewirkt.
Weiterhin ist im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel keine Aussparung vorgesehen, die entlang einer Umrandung der Kontaktstruktur 4 verläuft. Eine solche rahmenartige Aussparung kann jedoch zusätzlich vorgesehen sein.
Ein drittes Ausführungsbeispiel für einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip ist in 4 schematisch in Aufsicht dargestellt. Dieses dritte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit 3 beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu weist die Kontaktstruktur 4 zusätzlich zu der für die externe elektrische Kontaktierung vorgesehene Kontaktfläche 40 stegartige Bereiche 45 auf. Die Kontaktfläche und die stegartigen Bereiche bilden hierbei eine zusammenhängende Kontaktstruktur.
In Aufsicht auf den Halbleiterchip 1 sind im Bereich der Kontaktfläche 40 und der stegartigen Bereiche 45 Aussparungen 3 angeordnet, die zur elektrischen Kontaktierung des n-leitenden Bereichs vorgesehen sind.
Mittels der über den Halbleiterchip verteilten Aussparungen kann eine großflächige und gleichmäßige Injektion von Ladungsträgern über den n-leitenden Bereich 21 in den aktiven Bereich 23 erzielt werden.
Als Material für den stegartigen Bereich 45 eignet sich beispielsweise ein Metall, etwa Gold, Palladium, Rhodium, Silber, Chrom oder Aluminium.
Wie im Zusammenhang mit dem in 1A und 1B gezeigten Ausführungsbeispiel beschrieben, kann die Deckschicht bereichsweise mit einer Strukturierung versehen sein (nicht explizit dargestellt), wobei die Bereiche der Kontaktfläche 40 und der stegartigen Bereiche 45 vorzugsweise frei von der Strukturierung sind. Auf diese Weise ist zwischen dem Halbleiterkörper 2 und der Kontaktstruktur 4 eine glatte Oberfläche realisierbar, die die Strahlung im Vergleich zu einer aufgerauten Oberfläche mit einer erhöhten Effizienz reflektiert.
Ein viertes Ausführungsbeispiel für einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip ist in 5 in schematischer Aufsicht dargestellt. Dieses vierte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit 4 beschriebenen dritten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu sind die in Aufsicht auf den Halbleiterchip außerhalb der Kontaktfläche 40 angeordneten Aussparungen 3 mittels einer Verteilungsschicht 43 miteinander elektrisch leitend verbunden. Somit werden im Betrieb des Halbleiterchips über die Kontaktfläche 40 injizierte Ladungsträger mittels der Verteilungsschicht 43 großflächig verteilt und über die Aussparungen 3 in den n-leitenden Bereich injiziert. Die Verteilungsschicht kann vollflächig oder im Wesentlichen vollflächig auf dem Halbleiterkörper 2 ausgebildet sein oder davon abweichend den Halbleiterkörper nur bereichsweise bedecken.
Für die Verteilungsschicht 43 eignet sich insbesondere ein für die im aktiven Bereich 23 erzeugte Strahlung durchlässiges Material, beispielsweise ein transparentes leitfähiges Oxid, etwa Zinkoxid (ZnO) oder Indium-Zinn-Oxid (ITO).
Alternativ oder ergänzend kann die Verteilungsschicht 43 auch eine Metallschicht aufweisen, die so dünn ist, dass sie für die emittierte Strahlung zumindest transluzent ist.
Wie im Zusammenhang mit den 1A und 1B beschrieben kann die Deckschicht in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls mit einer Strukturierung versehen sein, wobei die Strukturierung in Aufsicht auf den Halbleiterchip 1 auch mit der Verteilungsschicht überlappen kann.
Ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterchips ist in den 6A bis 6D schematisch anhand von Schnittansichten für verschiedene Zwischenschritte gezeigt. Zur vereinfachten Darstellung ist lediglich ein Teil einer Halbleiterschichtenfolge dargestellt, aus der bei der Herstellung ein Halbleiterchip hervorgeht. Selbstverständlich können bei der Herstellung mehrere Halbleiterchips gleichzeitig nebeneinander hergestellt werden.
Auf einem Substrat 20 wird eine Halbleiterschichtenfolge 200 bereitgestellt. Die Halbleiterschichtenfolge 200 kann beispielsweise mittels eines epitaktischen Abscheideverfahrens, etwa MBE oder MOVPE, auf dem Substrat 20 abgeschieden werden.
Die Halbleiterschichtenfolge 200 weist eine Deckschicht 24 auf, die an das Substrat angrenzt und die Funktion einer Pufferschicht und/oder einer das Wachstum fördernde Anwachsschicht erfüllt.
Auf der Deckschicht 24 werden ein n-leitender Bereich 21, ein zur Erzeugung von Strahlung vorgesehener aktiver Bereich 23 und ein p-leitender Bereich 22 abgeschieden.
Zumindest auf der dem n-leitenden Bereich zugewandten Seite ist die Deckschicht 24 an den n-leitenden Bereich gitterangepasst.
Wie in 6B dargestellt, wird die Halbleiterschichtenfolge seitens einer dem Substrat 20 abgewandten zweiten Hauptfläche 26 mit einem Träger 5 stoffschlüssig verbunden. Zwischen dem Träger 5 und der Halbleiterschichtenfolge 200 wird eine Spiegelschicht 7 ausgebildet. Dies kann beispielsweise mittels Sputterns oder Aufdampfens erfolgen.
Für die Spiegelschicht 7 eignen sich insbesondere die im Zusammenhang mit der Reflektorschicht 42 genannten Materialien.
Der Träger 5 dient der mechanischen Stabilisierung der Halbleiterschichtenfolge 200, sodass das Substrat 20 hierfür nicht mehr erforderlich ist und entfernt werden kann. Durch das Entfernen des Substrats wird die Deckschicht 24 freigelegt.
Wie in 6C dargestellt, werden seitens der ersten Hauptfläche 25 der Halbleiterschichtenfolge Aussparungen 3 ausgebildet. Für besonders kleine Aussparungen mit steilen Flanken eignet sich insbesondere trockenchemisches Ätzen. Alternativ oder ergänzend kann aber auch ein nasschemisches Ätzverfahren Anwendung finden. Die Aussparungen 3 erstrecken sich durch die Deckschicht 24 hindurch in den n-leitenden Bereich 21 hinein.
Weiterhin wird die Halbleiterschichtenfolge 200 auf der ersten Hauptfläche 25 mit einer Strukturierung 8 versehen. Die Strukturierung erfolgt vorzugsweise lediglich in Bereichen der ersten Hauptfläche, die als Lichtaustrittsbereiche vorgesehen sind. Bereiche, in denen nachfolgend die Kontaktstruktur abgeschieden wird, sind dagegen frei von einer Strukturierung, sodass die erste Hauptfläche in diesen Bereichen eine glatte Oberfläche darstellt.
Die Lichtaustrittsbereiche können mittels eines photolithographischen Verfahrens definiert werden.
Die Strukturierung 8 kann beispielsweise mittels einer mechanischen und/oder chemischen Aufrauung erfolgen. Auch eine regelmäßige Strukturierung, beispielsweise mittels eines photolithographischen Verfahrens kann Anwendung finden.
Die Abscheidung der Kontaktstruktur 4 kann beispielsweise mittels Aufdampfens oder Sputterns auf der vorgefertigten Halbleiterschichtenfolge erfolgen. Alternativ oder ergänzend kann auch ein galvanisches Abscheideverfahren Anwendung finden. Durch galvanische Abscheideverfahren sind besonders harte und widerstandsfähige Kontaktflächen realisierbar.
Die Kontaktstruktur 4 ist vorzugsweise mehrschichtig ausgebildet, wobei die Schichten jeweils ein Metall, etwa Palladium, Nickel, Nickel-Phosphor (Ni:P), Kupfer oder Gold enthalten können.
Die galvanische Abscheidung ist in der Druckschrift WO2010/012267 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt diesbezüglich in die vorliegende Anmeldung durch Rückbezug aufgenommen wird.
Ein fertig gestellter Halbleiterchip 1, der durch Vereinzeln des Verbunds aus der Halbleiterschichtenfolge 200 und Träger 5 in einzelne Halbleiterchips hervorgeht, ist in 6D schematisch in Schnittansicht dargestellt.
Bei dem beschriebenen Verfahren kann die Deckschicht 24 bei der Abscheidung der Halbleiterschichtenfolge hinsichtlich einer hohen Kristallqualität für die Halbleiterschichten, insbesondere für den aktiven Bereich, gewählt werden. Bei der nachfolgenden Kontaktierung des n-leitenden Bereichs erfolgt diese durch zumindest eine Aussparung in der Deckschicht hindurch, sodass die Deckschicht keinen wesentlichen Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften des Halbleiterchips hat. Die Deckschicht 24 kann also trotz einer geringen elektrischen Leitfähigkeit in dem Halbleiterchip verbleiben. Auf ein vollständiges oder zumindest großflächiges bereichsweises Entfernen der Deckschicht vor dem Abscheiden der Kontaktstruktur kann somit verzichtet werden. Die Bruchgefahr wird hierdurch weitestgehend verringert.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand er 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 den Ausführungsbeispielen angegeben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2010/012267 [0105]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174–2176 [0018]
Q. Z. Liu and S. S. Lau in Solid-State Electronics Vol. 42, No. 5, pp. 677–691 (1998) [0071]

Claims

Strahlungsemittierender Halbleiterchip (1), der einen Träger (5) und einen auf dem Träger angeordneten Halbleiterkörper (2) mit einer Halbleiterschichtenfolge, die einen zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich (23), einen n-leitenden Bereich (21) und eine auf einer dem aktiven Bereich (23) abgewandten Seite des n-leitenden Bereichs angeordnete Deckschicht (24) umfasst, aufweist, wobei auf der Deckschicht (24) eine Kontaktstruktur (4) zur externen elektrischen Kontaktierung des n-leitenden Bereichs (21) angeordnet ist und die Deckschicht (24) zumindest eine Aussparung (3) aufweist, durch die sich die Kontaktstruktur (4) zum n-leitenden Bereich (21) erstreckt.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach Anspruch 1, wobei die Deckschicht den Halbleiterkörper in vertikaler Richtung begrenzt und auf der dem n-leitenden Bereich zugewandten Seite an den n-leitenden Bereich gitterangepasst ist.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Deckschicht undotiert ist oder eine Dotierkonzentration von höchstens 1·10¹⁷ cm^–3 aufweist.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Träger auf der dem n-leitenden Bereich abgewandten Seite des aktiven Bereichs angeordnet und stoffschlüssig mit dem Halbleiterkörper verbunden ist.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Seitenfläche (30) der zumindest einen Aussparung mit einer Beschichtung (35) versehen ist.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach Anspruch 5, wobei die Beschichtung ein dielektrisches Material enthält.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Kontaktstruktur eine Kontaktfläche (40) für eine Drahtbondverbindung aufweist.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach Anspruch 7, wobei die zumindest eine Aussparung in Aufsicht auf den Halbleiterchip zumindest bereichsweise entlang einer Umrandung (46) der Kontaktfläche verläuft.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Deckschicht eine Mehrzahl von Aussparungen aufweist, in denen die Kontaktstruktur jeweils an den n-leitenden Bereich angrenzt.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach Anspruch 7 und 9, wobei zumindest zwei der Aussparungen in Aufsicht auf den Halbleiterchip mit der Kontaktfläche überlappen.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach Anspruch 10, wobei die Kontaktfläche ein den Aussparungen folgendes Muster mit Erhebungen (44) und/oder Vertiefungen aufweist.
Strahlungsemittierender Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Deckschicht eine Strukturierung (8) aufweist und zumindest in einem Bereich, in dem die Kontaktstruktur ausgebildet ist, unstrukturiert ist.
Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von Halbleiterchips (1) mit den Schritten: a) Bereitstellen einer Halbleiterschichtenfolge (200), die eine Deckschicht (24), einen zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich (23) und einen n-leitenden Bereich (21) aufweist, auf einem Substrat (20); b) Befestigen der Halbleiterschichtenfolge (200) an einem Träger (5); c) Entfernen des Substrats (20); d) Ausbilden von Aussparungen (3) in der Deckschicht (24); e) Ausbilden einer Kontaktstruktur (4) auf der Deckschicht (24), wobei sich die Kontaktstruktur (4) in die Aussparungen (3) hinein erstreckt; f) Vereinzeln der Halbleiterschichtenfolge (200) mit dem Träger (5) in die Mehrzahl von Halbleiterchips (1), so dass jeder Halbleiterchip (1) zumindest eine der Aussparungen (3) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Kontaktstruktur mittels eines galvanischen Verfahrens abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem ein Halbleiterchip gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 hergestellt wird.