DE102010035966A1

DE102010035966A1 - Optoelektronischer Halbleiterchip und Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips

Info

Publication number: DE102010035966A1
Application number: DE201010035966
Authority: DE
Inventors: Christoph Klemp; Dr. Engl Karl; Stefanie Rammelsberger; Dr. Maute Markus; Robert Walter; Oliver Günther
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2012-03-01
Also published as: DE102010035966A8; WO2012028511A1

Abstract

Es wird ein optoelektronischer Halbleiterchip mit einer Halbleiterschichtenfolge (1) mit einem aktiven Bereich (2) auf einem Substrat (5) und mit einer Spiegelschicht (3) angegeben, die vollständig in einer Schicht (4) mit einem transparenten leitenden Oxid eingebettet ist. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips angegeben.

Description

Es werden ein optoelektronischer Halbleiterchip und ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips angegeben.
Leuchtdiodenchips für lichtemittierende Dioden (LEDs) weisen oft eine reflektierende Schicht aus einem geeigneten reflektierenden Material auf, um beispielsweise im Chip erzeugtes Licht in eine bestimmten Richtung zu lenken und damit eine Erhöhung der abgestrahlten Lichtleistung und/oder eine bestimmte Abstrahlcharakteristik zu erreichen. Geeignete reflektierende Materialien wie beispielsweise Silber können jedoch durch umgebende Materialien und/oder durch Stoffe aus der Umgebung korrodiert und damit in ihrer Reflektivität beeinträchtigt werden. Insbesondere kann eine solche Korrosion beispielsweise durch Feuchtigkeit aus der Umgebung hervorgerufen werden, die in den Chip eindringen und mit dem reflektierenden Material reagieren kann.
Nachdem bisherigen Stand der Technik lässt sich ein reflektierendes Material jedoch nicht mit bekannten dielektrischen Materialien wie etwa Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid gegen Korrosion durch Feuchtigkeit schützen. Eine ausreichende Kapselung in einem Leuchtdiodenchip gelingt derzeit nur durch ein direktes Aufbringen beziehungsweise Einbringen des reflektierten Materials in die Epitaxieschichtenfolge des Leuchtdiodenchips, was jedoch die reflektierende Wirkung des reflektierten Materials reduziert.
Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, einen optoelektronischen Halbleiterchip mit einer Halbleiterschichtenfolge anzugeben. Zumindest eine weitere Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips mit einer Halbleiterschichtenfolge anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch einen Gegenstand und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Gegenstands und des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein optoelektronischer Halbleiterchip eine Halbleiterschichtenfolge mit einem aktiven Bereich auf. Der aktive Bereich kann dabei insbesondere geeignet sein, elektromagnetische Strahlung, insbesondere Licht, beispielsweise mit einer ultravioletten bis infraroten und besonders bevorzugt mit einer sichtbaren Wellenlänge, abzustrahlen oder zu empfangen. Der optoelektronische Halbleiterchip kann somit als strahlungsemittierender oder auch als strahlungsempfangender Halbleiterchip ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der optoelektronische Halbleiterchip ein Substrat auf, auf dem die Halbleiterschichtenfolge mit dem aktiven Bereich angeordnet ist. Das Substrat kann ein Aufwachssubstrat oder ein Trägerelement sein, wie unten weiter ausgeführt ist.
Die Halbleiterschichtenfolge kann als Epitaxieschichtenfolge, also als epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge, ausgeführt sein. Dabei können der Halbleiterchip beziehungsweise die Halbleiterschichtenfolge beispielsweise auf der Basis von InGaAlN ausgeführt sein. Unter InGaAlN-basierten Halbleiterchips und Halbleiterschichtenfolgen fallen insbesondere solche, bei denen die epitaktisch hergestellte Halbleiterschichtenfolge in der Regel eine Schichtenfolge aus unterschiedlichen Einzelschichten aufweist, die mindestens eine Einzelschicht enthält, die ein Material aus dem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem In_xAl_yGa_1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweist. Halbleiterschichtenfolgen, die zumindest eine aktive Schicht oder einen aktiven Bereich auf Basis von InGaAlN aufweisen, können beispielsweise bevorzugt elektromagnetische Strahlung in einem ultravioletten bis grünen Wellenlängenbereich emittieren.
Alternativ oder zusätzlich können die Halbleiterschichtenfolge beziehungsweise der Halbleiterchip auch auf InGaAlP basieren, das heißt, dass die Halbleiterschichtenfolge unterschiedliche Einzelschichten aufweisen kann, wovon mindestens eine Einzelschicht ein Material aus dem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem In_xAl_yGa_1-x-yP mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweist. Halbleiterschichtenfolgen oder Halbleiterchips, die zumindest eine aktive Schicht oder einen aktiven Bereich auf Basis von InGaAlP aufweisen, können beispielsweise bevorzugt elektromagnetische Strahlung mit einer oder mehreren spektralen Komponenten in einen grünen bis roten Wellenlängenbereich emittieren.
Alternativ oder zusätzlich können die Halbleiterschichtenfolge beziehungsweise der Halbleiterchip auch andere III-V-Verbindungshalbleitermaterialsysteme, beispielsweise ein AlGaAs-basiertes Material, oder II-VI-Verbindungshalbleitermaterialsysteme aufweisen. Insbesondere kann eine aktive Schicht, die ein AlGaAs-basiertes Material aufweist, geeignet sein, elektromagnetische Strahlung mit einer oder mehreren spektralen Komponenten in einem roten bis infraroten Wellenlängenbereich zu emittieren.
Ein II-VI-Verbindungshalbleitermaterialsystem kann wenigstens ein Element aus der zweiten Hauptgruppe, wie beispielsweise Be, Mg, Ca, Sr, und ein Element aus der sechsten Hauptgruppe, wie beispielsweise O, S, Se, aufweisen. Insbesondere umfasst ein II-VI-Verbindungshalbleitermaterialsystem eine binäre, ternäre oder quaternäre Verbindung, die wenigstens ein Element aus der zweiten Hauptgruppe und wenigstens ein Element aus der sechsten Hauptgruppe umfasst. Eine solche binäre, ternäre oder quaternäre Verbindung kann zudem beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Beispielsweise gehören zu den II-VI-Verbindungshalbleitermaterialien ZnSe, ZnTe, ZnO, ZnMgO, ZnS, CdS, ZnCdS, MgBeO.
Die Halbleiterschichtenfolge kann weiterhin ein Substrat aufweisen, auf dem die oben genannten III-V- oder II-VI-Verbindungshalbleitermaterialsystem abgeschieden sind. Das Substrat kann dabei ein Halbleitermaterial, beispielsweise ein oben genanntes Verbindungshalbleitermaterialsystem, umfassen. Insbesondere kann das Substrat Saphir, GaAs, GaP, GaN, InP, SiC, Si und/oder Ge umfassen oder aus einem solchen Material sein.
Die Halbleiterschichtenfolge kann als aktiven Bereich beispielsweise einen herkömmlichen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopfstruktur (SQW-Struktur) oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW-Struktur) aufweisen. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst im Rahmen der Anmeldung insbesondere jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss (”confinement”) eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren können. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen. Die Halbleiterschichtenfolge kann neben dem aktiven Bereich weitere funktionale Schichten und funktionelle Bereiche umfassen, etwa p- oder n-dotierte Ladungsträgertransportschichten, also Elektronen- oder Löchertransportschichten, undotierte oder p- oder n-dotierte Confinement-, Cladding- oder Wellenleiterschichten, Barriereschichten, Planarisierungsschichten, Pufferschichten, Schutzschichten, Kontaktschichten und/oder Elektroden sowie Kombinationen daraus. Solche Strukturen den aktiven Bereich oder die weiteren funktionalen Schichten und Bereiche betreffend sind dem Fachmann insbesondere hinsichtlich Aufbau, Funktion und Struktur bekannt und werden von daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Darüber hinaus können zusätzliche Schichten, etwa Pufferschichten, Barriereschichten und/oder Schutzschichten auch senkrecht zur Aufwachsrichtung der Halbleiterschichtenfolge beispielsweise um die Halbleiterschichtenfolge herum angeordnet sein, also etwa auf den Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der optoelektronische Halbleiterchip als Dünnfilm-Halbleiterchip ausgeführt.
Ein Dünnfilm-Halbleiterchip zeichnet sich insbesondere durch eines oder mehrere der folgenden charakteristischen Merkmale aus:

– an einer zu einem Trägerelement oder einem Substrat hin gewandten ersten Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge ist eine reflektierende Schicht in Form der Spiegelschicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Halbleiterschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert;
– die Halbleiterschichtenfolge weist. eine Dicke im Bereich von 20 μm oder weniger, insbesondere im Bereich von 10 μm auf; und
– 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 epitaktisch gewachsenen Halbleiterschichtenfolge führt, das heißt sie weist ein möglichst ergodisch stochastisches Streuverhalten auf.

Ein Grundprinzip eines Dünnschicht-Halbleiterchips ist beispielsweise in I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174–2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Substrat des optoelektronischen Halbleiterchips, das beispielsweise als Trägerelement eines als Dünnfilm-Halbleiterchip ausgeführten optoelektronischen Halbleiterchips ausgebildet ist, eines der oben für Aufwachssubstrate genannten Materialien auf. Weiterhin kann das Substrat auch einen Kunststoff, beispielsweise eine Kunststofffolie, oder ein Metall, beispielsweise in Form einer Metallschicht oder einer Metallfolie, aufweisen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der optoelektronische Halbleiterchip eine Spiegelschicht auf, die vollständig in einer Schicht mit einem transparenten leitenden Oxid eingebettet ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Spiegelschicht ein Material auf, das empfindlich gegenüber von Außen auf die Spiegelschicht einwirkenden Materialien ist. Das kann insbesondere bedeuten, dass die Spiegelschicht durch von Außen auf die Spiegelschicht einwirkende Materialien korrodiert oder auf andere Weise in seiner Reflektivität eingeschränkt oder verändert werden kann. Von Außen auf die Spiegelschicht einwirkende Materialien können beispielsweise Materialien aus der Halbleiterschichtenfolge, aus Verbindungsschichten zwischen der Halbleiterschichtenfolge und einem Substrat oder auch aus der Umgebung des optoelektronischen Halbleiterchips sein, im letzteren Fall insbesondere Sauerstoff und/oder Feuchtigkeit.
Dass die Spiegelschicht vollständig in der Schicht mit dem transparenten leitenden Oxid eingebettet ist, bedeutet hier und im Folgenden, dass die Schicht mit dem transparenten leitenden Oxid eine Doppelschicht umfassend zwei Teilschichten bildet, zwischen der die Spiegelschicht angeordnet ist. Dabei erstreckt sich jede der Teilschichten der Schicht mit dem transparenten leitenden Oxid in lateraler Richtung, also entlang der Haupterstreckungsebene der Spiegelschicht, über die Spiegelschicht hinaus, so dass die beiden Teilschichten in lateraler Richtung neben der Spiegelschicht zusammentreffen und so auch die Ränder der Spiegelschicht vollständig umgeben. Dadurch ist die Spiegelschicht allseitig von der Schicht mit dem transparenten leitenden Oxid umgeben und von dieser verkapselt.
Mit Vorteil hat sich gezeigt, dass eine Korrosion der Spiegelschicht durch die Verwendung von transparenten leitenden Oxiden, die eine Schicht bilden, in die die Spiegelschicht vollständig eingebettet ist, verhindert beziehungsweise in erheblichen Masse vermindert werden kann. Das transparente leitende Oxid erfüllt dabei die Funktion eines herkömmlich bekannten Spiegel-Dielektrikums. Im Vergleich zu solchen weist die Schicht aus dem transparenten leitenden Oxid aber den weiteren Vorteil auf, dass das transparente leitende Oxid eine elektrische Leitfähigkeit des Schichtparketts gebildet durch die Spiegelschicht und die Schicht mit dem transparenten leitenden Oxid ermöglicht, so dass die Schicht mit dem transparenten leitenden Oxid mit der darin eingebetteten Spiegelschicht beispielsweise auch eine elektrische Kontaktschicht für die Halbleiterschichtenfolge bilden kann. Weiterhin ist die Spiegelschicht in einem durch die Schicht mit dem transparenten leitenden Oxid gebildeten Faraday'schen Käfig gegen äußere elektrische Felder und damit auch gegen eine Migration von Schadstoffen in solchen elektrischen Felder abgeschirmt.
Mit Vorteil kann dadurch die Lebensdauer der Spiegelschicht und damit auch die Lebensdauer des optoelektronischen Halbleiterchips auch unter hohen feuchten Einfluss im Vergleich zu bekannten Leuchtdiodenchips erhöht werden.
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 weist das transparente leitende Oxid insbesondere ein Metalloxid mit Zink, Zinn und/oder Indium auf. Insbesondere kann in besonders bevorzugten Ausführungsformen die Schicht mit dem transparenten leitenden Oxid Zinkoxid, Zinnoxid und/oder Indiumzinnoxid (ITO) aufweisen.
In einer besonders bevorzugt Ausführungsform ist die Schicht mit dem transparenten leitenden Oxid aus ZnO und die Spiegelschicht aus Silber.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Spiegelschicht und die Schicht mit dem transparenten leitenden Oxid auf einer dem Substrat abgewandten Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge angeordnet. Eine derartige Anordnung der Spiegelschicht kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn beispielsweise im Falle eines als strahlungsemittierendem Halbleiterchip ausgeführten optoelektronischen Halbleiterchips Licht durch das Substrat abgestrahlt werden soll.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Spiegelschicht und die Schicht mit dem transparenten leitenden Oxid zwischen dem aktiven Bereich und dem Substrat angeordnet. Das kann insbesondere bedeuten, dass die Spiegelschicht und die Schicht mit dem transparenten leitenden Oxid an die Halbleiterschichtenfolge angrenzen und somit zwischen der Halbleiterschichtenfolge und dem Substrat angeordnet sind. Eine derartige Anordnung der Spiegelschicht kann insbesondere bei einem als oben beschriebenen Dünnfilm-Halbleiterchip ausgebildeten optoelektronischen Halbleiterchip vorteilhaft sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform bilden die Spiegelschicht und die Schicht mit dem transparenten leitenden Oxid eine elektrische Kontaktschicht für die Halbleiterschichtenfolge beziehungsweise für den aktiven Bereich. Das kann insbesondere bedeuten, dass die Spiegelschicht und die Schicht mit dem transparenten leitenden Oxid alleine oder mit weiteren elektrischen Kontaktschichten einen elektrischen Kontakt, vorzugsweise einen ohmschen Kontakt, mit der Halbleiterschichtenfolge bilden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Spiegelschicht ein elektrisch leitendes Material auf. Dadurch kann die elektrische Leitfähigkeit des Schichtkomplexes gebildet aus der Schicht mit dem transparenten leitenden Oxid und der darin eingebetteten Spiegelschicht mit Vorteil erhöht werden, was insbesondere im Falle der Ausbildung des Schichtkomplexes als elektrischen Kontakt für die Halbleiterschichtenfolge von Vorteil sein kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Spiegelschicht ein Metall auf oder ist aus einem Metall gebildet. Insbesondere kann das Metall Silber und/oder Gold aufweisen oder eine Legierung mit diesen Materialien bilden oder aus diesen Materialien sein. Je nach Wellenlängenbereich des optoelektronischen Halbleiterchips, also je nach Wellenlängenbereich des vom aktiven Bereichs abgestrahlten oder zu empfangenden Lichts können Spiegelmaterialien basierend auf Silber und/oder Gold eine vorteilhafte Reflektivität aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Spiegelschicht strukturiert. Das kann insbesondere bedeuten, dass die Spiegelschicht sich nicht gänzlich in einer lateralen Richtung über die Halbleiterschichtenfolge und/oder das Substrat erstreckt, sondern dass in lateraler Richtung Bereiche frei von der Spiegelschicht sind. Beispielsweise kann die Spiegelschicht dazu Öffnungen aufweisen oder auch voneinander getrennte Bereiche.
Die Strukturierung der Spiegelschicht kann dabei insbesondere beispielsweise an spezielle Strukturen der Halbleiterschichtenfolgen, beispielsweise elektrische Kontaktstrukturen und/oder Mesastrukturen angepasst sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Schicht mit dem transparenten leitenden Oxid unstrukturiert. Das kann insbesondere bedeuten, dass die Schicht mit dem transparenten leitenden Oxid auf beiden Hauptflächen der Spiegelschicht großflächig, das heißt frei von Öffnungen und Unterbrechungen, ausgebildet ist. Ist die Spiegelschicht strukturiert, beispielsweise mittels Öffnungen oder Unterbrechungen, ausgebildet, so kann die Schicht mit dem transparenten leitenden Oxid besonders bevorzugt auch die Öffnungen oder Unterbrechungen in der Spiegelschicht ausfüllen. So kann gewährleistet werden, dass jede Oberfläche der Spiegelschicht von der Schicht mit dem transparenten leitenden Oxid umgeben ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Schicht mit dem transparenten leitenden Oxid in einem Bereich von Substrat ausgesehen über und/oder unter der Spiegelschicht eine Dicke von größer oder gleich 10 nm auf. Weiterhin kann die Schicht mit dem transparenten leitenden Oxid auch eine Dicke von kleiner oder gleich 1000 nm aufweisen. Das kann insbesondere bedeuten, dass die Schicht mit dem transparenten leitenden Oxid über beziehungsweise unter der Spiegelschicht eine derartige Dicke aufweist. Weiterhin kann die Schicht mit dem transparenten leitenden Oxid auch in einer lateralen Richtung seitlich neben der Spiegelschicht eine derartige Dicke beziehungsweise einen derartig breiten Bereich aufweisen. Je dicker die Schicht mit dem transparenten leitenden Oxid ausgebildet ist, desto besser kann die Verkapselungswirkung sowie die Abschirmwirkung gegenüber äußeren elektrischen Feldern gewährleistet werden. Je dünner die Schicht mit dem transparenten leitenden Oxid ausgebildet ist, desto weniger beeinflusst die Schicht mit dem transparenten leitenden Oxid die reflektierende Wirkung der Spiegelschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips einen Schritt auf, bei dem eine Halbleiterschichtenfolge auf einem Substrat aufgebracht wird. Dabei kann das Substrat ein Aufwachssubstrat sein, so dass das Aufbringen der Halbleiterschichtenfolge auf dem Substrat das Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge auf dem Substrat beinhaltet. Alternativ dazu kann das Aufbringen der Halbleiterschichtenfolge auf dem Substrat auch das Übertragen beziehungsweise das Umbonden einer bereits auf einem Aufwachssubstrat aufgewachsenen Halbleiterschichtenfolge auf ein als Trägerelement oder Trägersubstrat ausgebildetes Substrat beinhalten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird eine Spiegelschicht aufgebracht, die in einer Schicht mit einem transparenten leitenden Oxid eingebettet ist. Dabei können die Spiegelschicht die Schicht mit dem transparenten leitenden Oxid beispielsweise auf einer aufgewachsenen Halbleiterschichtenfolge aufgebracht werden, die anschließend auf ein als Trägerelement oder Trägersubstrat ausgebildetes Substrat übertragen wird, so dass die Spiegelschicht, eingebettet in der Schicht mit dem transparenten leitenden Oxid, zwischen dem Substrat und der Halbleiterschichtenfolge angeordnet ist. Alternativ dazu kann die Spiegelschicht mit dem transparenten leitenden Oxid auch vor dem Aufbringen der Halbleiterschichtenfolge auf dem Substrat aufgebracht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Spiegelschicht zusammen mit dem transparent leitenden Oxid in Teilschritten aufgebracht. Dazu kann in einem ersten Teilschritt das transparente leitende Oxid großflächig in Form einer ersten Teilschicht aufgebracht werden. Anschließend kann die Spiegelschicht auf der ersten Teilschicht mit dem transparenten leitenden Oxid aufgebracht werden und daran anschließend kann eine zweite Teilschicht mit dem transparenten leitenden Oxid großflächig auf der Spiegelschicht aufgebracht werden. Insbesondere können die erste und zweite Teilschicht als Doppelschicht derart aufgebracht werden, dass die zwischen diesen aufgebrachte Spiegelschicht von den beiden Teilschichten gänzlich umschlossen wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Spiegelschicht vor dem Aufbringen der zweiten Teilschicht mit dem transparenten leitenden Oxid strukturiert werden. Dazu kann die Spiegelschicht bereits mit einem strukturierenden Aufbringverfahren, beispielsweise einem Aufdampfen oder Aufsputtern durch eine Maske, aufgebracht werden. Alternativ dazu kann die Spiegelschicht auch großflächig auf der ersten Teilschicht mit dem transparenten leitenden Oxid aufgebracht werden und dann anschließend durch ein geeignetes Strukturierungsverfahren, etwa nasschemisches oder trockenchemisches Ätzen, strukturiert werden.
Die beschriebenen Merkmale und Ausführungsformen für den optoelektronischen Halbleiterchip gelten gleichermaßen auch für das Verfahren zur Herstellung des optoelektronischen Halbleiterchips und umgekehrt.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsformen.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 und 3 schematische Darstellungen von optoelektronischen Halbleiterchips gemäß weiteren Ausführungsbeispielen.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele für optoelektronische Halbleiterchips 100, 200, 300 gezeigt, die rein beispielhaft als strahlungs- beziehungsweise Licht emittierende Dünnfilm-Halbleiterchips mit strahlungsemittierenden aktiven Bereichen ausgebildet sind. Alternativ dazu können die optoelektronischen Halbleiterchips aber auch als Halbleiterchips mit einer Halbleiterschichtenfolge 1 auf einem Aufwachssubstrat ausgebildet sein. Weiterhin können die optoelektronischen Halbleiterchips alternativ auch beispielsweise einen strahlungs- beziehungsweise Licht empfangenden aktiven Bereich aufweisen.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel für ein optoelektronischen Halbleiterchip 100 gezeigt, der eine Halbleiterschichtenfolge 1 basierend auf einem AlGaAs-Verbindungshalbleitermaterialsystem aufweist. Die Halbleiterschichtenfolge 1 weist einen aktiven Bereich 2 auf, der als Mehrfachquantentopfstruktur ausgeführt ist, wie durch die mehrschichtige Ausführung des aktiven Bereichs 2 angedeutet ist.
Zur Ausbildung der Halbleiterschichtenfolge 1 wird diese auf einem geeigneten Aufwachssubstrat aufgewachsen. Dazu werden zuerst geeignete n-dotierte AlGaAs-Schichten, anschließend der aktive Bereich 2 sowie anschließend geeignete p-dotiere AlGaAs-Schichten aufgewachsen. Die p-dotierten Schichten werden mit Mesastruktur-bildenden Vertiefungen versehen. Weiterhin werden zur späteren Kontaktierung der p-dotierten Schichten p-dotierte Kontaktbereiche 13 aus GaAs mit einer Dotierstoffkonzentration von etwa 5 × 10¹⁹ cm^–3 aufgebracht.
Die p-dotierte Seite der Halbleiterschichtenfolge 1 wird anschließend ganzflächig mit einer ersten Teilschicht 41 aus einem transparenten leitenden Oxid beschichtet. Dieses kann bevorzugt ZnO, Indium-Zink-Oxid (IZO) oder Indium-Zinn-Oxid (ITO) aufweisen oder daraus sein. Anschließend wird auf die erste Teilschicht 41 mit dem transparenten leitenden Oxid eine Spiegelschicht 3 aufgebracht, die beispielsweise Silber und/oder Gold enthält oder daraus ist. Die Spiegelschicht 3 wird derart aufgebracht, dass sie nicht ganz bis zum Rand der ersten Teilschicht 41 mit dem transparenten leitenden Oxid reicht. Alternativ zu einer großflächigen Aufbringung der Spiegelschicht 3 kann diese auch strukturiert werden.
Anschließend wird auf der Spiegelschicht 3 und der ersten Teilschicht 41 mit dem transparenten leitenden Oxid eine zweite Teilschicht 42 mit dem transparenten leitenden Oxid aufgebracht, so dass die erste und zweite Teilschicht 41, 42 zusammen eine Schicht 4 mit dem transparenten leitenden Oxid bilden, in die die Spiegelschicht 3 vollständig eingebettet ist. Die erste und zweite Teilschicht 41, 42 weisen an den Rändern der Spiegelschicht 3 eine gemeinsame Grenzfläche auf, wie durch die gestrichelte Linie in diesen Bereich angedeutet ist. Dadurch bilden die erste und zweite Teilschicht 41, 42 eine durchgängige, die Spiegelschicht 3 gänzlich umschließende und einbettende Schicht 4. Die Schichtdicke der Schicht 4 mit dem transparenten leitenden Oxid ist besonders bevorzugt größer oder gleich 10 nm und kleiner oder gleich 1000 nm sein.
Auf der Schicht 4 mit dem transparenten leitenden Oxid wird weiterhin eine Verbindungsschicht 12 aufgebracht, die beispielsweise Gold und/oder Zink aufweisen kann. Weiterhin kann die Verbindungsschicht 12 beispielsweise auch Titanwolframnitrid und/oder eine Legierung mit Titan und/oder Platin und/oder Gold aufweisen.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird ein Substrat 5 bereitgestellt, das beispielsweise aus Germanium ist und das auf einer Hauptoberfläche eine Verbindungsschicht 52, beispielsweise aus Zinn, und auf einer der Verbindungsschicht 52 gegenüberliegenden Hauptoberfläche eine Kontaktschicht 51 beispielsweise aus ZnO aufweist.
Die Halbleiterschichtenfolge 1 mit der Spiegelschicht 3 und der diese umgebenden Schicht 4 mit dem transparenten leitenden Oxid wird mit der Verbindungsschicht 12 auf der Verbindungsschicht 52 des Substrats 5 aufgebracht und mit diesem verbunden. Anschließend kann das Aufwachssubstrat der Halbleiterschichtenfolge 1 abgelöst werden und die dem Substrat 5 abgewandte Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge wird mit einer Oberflächenstruktur 14 in Form von Aufrauungen sowie mit einem strukturierten elektrischen Kontakt 11 versehen. Die freiliegenden Oberflächen der Halbleiterschichtenfolge 1 werden weiterhin noch mit einer Passivierungsschicht 15, beispielsweise aus Siliziumnitrid, beschichtet. Die Oberflächenstruktur 14 kann beispielsweise Mikroprismen oder abgeflachte Mikroprismen zur Verbesserung der Lichtauskopplung aus der Halbleiterschichtenfolge 1 aufweisen.
Der derart hergestellte optoelektronische Halbleiterchip 100 weist somit zwischen dem Substrat 5 und der Halbleiterschichtenfolge 1 beziehungsweise zwischen dem Substrat 5 und dem aktiven Bereich 2 die in die Schicht 4 mit dem transparenten leitenden Oxid eingebettete Spiegelschicht 3 auf, die im Betreib des Halbleiterchips 100 vom aktiven Bereich 2 in Richtung des Substrats 5 abgestrahltes Licht zur entgegen gesetzten Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge 1 mit der Oberflächenstruktur 14 reflektiert.
Tests bei verschiedenen Umgebungstemperaturen, Temperaturen des aktiven Bereichs, angelegten Betriebsströmen und relativen Feuchtigkeiten der Umgebung mit Halbleiterchips gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 mit einer jeweiligen Chipfläche von 2 mm² und einer Gesamtchipdicke von etwa 100 μm mit Spiegelschichten aus Silber beziehungsweise Gold jeweils eingebettet in einer Schicht aus dem transparenten leitenden Oxid ZnO mit einer Dicke von 840 nm haben gezeigt, dass die bei bekannten Leuchtdiodenchips typischerweise auftretende Korrosion von reflektierendem Material deutlich verringert oder sogar verhindert werden kann.
In den folgenden Ausführungsbeispielen gemäß den 2 und 3 sind Varianten beziehungsweise Modifikationen des Halbleiterchips 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 gezeigt. Insbesondere basieren die Halbleiterschichtenfolge 1 der Halbleiterchips 200 und 300 auf Galliumnitrid. Diese sind in einem ähnlichen Verfahren zur Herstellung von Dünnfilm-Halbleiterchips wie in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel in 1 beschrieben auf einem Trägersubstrat 5 aufgebracht.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel für einen Halbleiterchip 200 gezeigt, der im Vergleich zum Halbleiterchip 100 gemäß 1 über der Verbindungsschicht 52 eine Sperrschicht 53, die als Diffusionssperre für Material der Verbindungsschicht 52 in Richtung der Halbleiterschichtenfolge 1 dient, aufweist. Darüber ist die Schicht 4 mit dem transparenten leitenden Oxid angeordnet, in der die Spiegelschicht 3 eingebettet ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Spiegelschicht 3 dabei strukturiert ausgebildet. Die Spiegelschicht 3 weist dabei Ausnehmungen beziehungsweise Unterbrechungen in Bereichen 16 der Halbleiterschichtenfolge 1 auf, in denen ein p-seitiger elektrischer Kontakt zur Schicht 4 mit dem transparenten leitenden Oxid unterdrückt ist. Weiterhin ist im gezeigten Ausführungsbeispiel die Passivierungsschicht 15 aus Siliziumdioxid ausgebildet.
Die Schicht 4 mit dem transparenten leitenden Oxid, im gezeigten Ausführungsbeispiel ZnO, umschließt jeden Teilbereich der strukturierten Spiegelschicht 3, so dass diese jeweils allseitig von der Schicht 4 umgeben und in diese eingebettet sind.
In 3 ist ein Ausführungsbeispiel für einen Halbleiterchip 300 gezeigt, bei dem im Vergleich zum vorherigen Ausführungsbeispiel gemäß 2 Kontakte 11 aufweist, die von der Schicht 4 mit dem transparenten leitenden Oxid durch den aktiven Bereich 2 der Halbleiterschichtenfolge 1 in den n-dotierten Schichtenbereich der Halbleiterschichtenfolge 1 reichen. Dadurch ist eine elektrische Kontaktierung der n-Seite der Halbleiterschichtenfolge 1 mittels der Kontaktschicht 51 auf der der Halbleiterschichtenfolge 1 abgewandten Hauptoberfläche des Substrats 5 und mittels der Schicht 4 mit dem transparenten leitenden Oxid und der darin eingebetteten Spiegelschicht 3 möglich. Die Kontakte 11 sind dabei von der Passivierungsschicht 15 umgeben und gegenüber der p-dotierten Seite und dem aktiven Bereich 2 der Halbleiterschichtenfolge 1 elektrisch isoliert.
Zur Kontaktierung der dem Substrat 5 zugewandten p-dotierten Seite der Halbleiterschichtenfolge weist der Halbleiterchip 300 eine Stromaufweitungsschicht 16 auf, wobei zur weiteren Verbesserung der Reflektion von im aktiven Bereich 2 erzeugten Strahlung zwischen der Stromaufweitungsschicht 6 und der Halbleiterschichtenfolge 1 in Teilbereichen eine weitere Spiegelbereiche 7 angeordnet sind. Die Kontaktierung der p-dotierten Seite der Halbleiterschichtenfolge 1 erfolgt dabei durch eine Öffnung 17 in der Passivierungsschicht 15, durch die die Stromaufweitungsschicht 6 zugänglich und kontaktierbar wird.
In allen gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Schicht 4 mit dem transparenten leitenden Oxid mit der darin eingebetteten Spiegelschicht 3 als elektrische Kontaktschicht für die Halbleiterschichtenfolge 1 ausgebildet.
Alternativ zu den gezeigten Ausführungsbeispielen mit Halbleiterchips, die auf Arsenid- oder Nitrid-Verbindungshalbleitermaterialsystemen basieren, können diese beispielsweise auch auf Phosphid-Verbindungshalbleitermaterialien oder beispielsweise auch auf II-VI-Verbindungshalbleitermaterialsystemen basieren.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174–2176 [0017]

Claims

Optoelektronischer Halbleiterchip mit einer Halbleiterschichtenfolge (1) mit einem aktiven Bereich (2) auf einem Substrat (5) und mit einer Spiegelschicht (3), die vollständig in einer Schicht (4) mit einem transparenten leitenden Oxid eingebettet ist.
Halbleiterchip nach Anspruch 1, wobei die Spiegelschicht (3) zwischen dem aktiven Bereich (2) und dem Substrat (5) angeordnet ist.
Halbleiterchip nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Spiegelschicht (3) und die Schicht (4) mit dem transparenten leitenden Oxid eine elektrische Kontaktschicht für die Halbleiterschichtenfolge (1) bilden.
Halbleiterchip nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Spiegelschicht (3) ein elektrisch leitendes Material aufweist.
Halbleiterchip nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Spiegelschicht (3) aus einem Metall gebildet ist.
Halbleiterchip nach Anspruch 5, wobei das Metall Silber und/oder Gold aufweist.
Halbleiterchip nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das transparente leitende Oxid ein Metalloxid mit Zink, Zinn und/oder Indium aufweist.
Halbleiterchip nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Spiegelschicht (3) strukturiert ist.
Halbleiterchip nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schicht (4) mit dem transparenten leitenden Oxid unstrukturiert ist.
Halbleiterchip nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das transparente leitende Oxid in einem Bereich vom Substrat (5) aus gesehen über und/oder unter der Spiegelschicht (3) eine Dicke von größer oder gleich 10 nm und kleiner oder gleich 1000 nm aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips mit den Schritten: – Aufbringen einer Halbleiterschichtenfolge (1) auf einem Substrat (5), – Aufbringen einer Spiegelschicht (3), die in einer Schicht (4) mit einem transparenten leitenden Oxid eingebettet ist mit den Teilschritten: – Aufbringen einer ersten Teilschicht (41) mit dem transparenten leitenden Oxid, – Aufbringen der Spiegelschicht (3) auf der ersten Teilschicht (41) und – Aufbringen einer zweiten Teilschicht (42) mit dem transparenten leitenden Oxid auf der Spiegelschicht (3) und der ersten Teilschicht (41).
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Spiegelschicht (3) vor dem Aufbringen der zweiten Teilschicht (42) strukturiert wird.