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Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Halbleiterchip.
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Aus der Druckschrift
WO 2009/106069 A1 ist ein optoelektronischer Halbleiterchip bekannt, bei dem eine erste und eine zweite elektrische Kontaktschicht zwischen der Halbleiterschichtenfolge und dem Trägersubstrat angeordnet sind. Die erste und die zweite elektrische Kontaktschicht sind dabei mittels einer elektrisch isolierenden Schicht voneinander isoliert. Bei einem derartigen Halbleiterchip kann eine Spiegelschicht an einer dem Trägersubstrat zugewandten Seite an die Halbleiterschichtenfolge angrenzen, um die von der aktiven Zone in Richtung des Trägers emittierte Strahlung zu einer dem Trägersubstrat gegenüberliegenden Strahlungsauskoppelfläche umzulenken.
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Bei einem derartigen Halbleiterchip kann die Gefahr bestehen, dass Feuchtigkeit von den Rändern des Halbleiterchips her durch die elektrisch isolierende Schicht bis in den Bereich der Spiegelschicht transportiert wird, was eine Degradation der Spiegelschicht und somit eine Verringerung der Strahlungsausbeute zur Folge hätte.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten optoelektronischen Halbleiterchip anzugeben, bei dem die Spiegelschicht effektiv vor dem Eindringen von Feuchtigkeit geschützt ist und gleichzeitig eine sehr effiziente elektrische Kontaktierung des Halbleiterchips mit verhältnismäßig geringem Herstellungsaufwand erzielt wird.
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Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Halbleiterchip mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einer Ausgestaltung umfasst der optoelektronische Halbleiterchip eine Halbleiterschichtenfolge, die einen ersten Halbleiterbereich eines ersten Leitungstyps, einen zweiten Halbleiterbereich eines zweiten Leitungstyps und eine zwischen dem ersten und dem zweiten Halbleiterbereich angeordnete aktive Zone aufweist.
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Weiterhin umfasst der optoelektronische Halbleiterchip ein Trägersubstrat, wobei die Halbleiterschichtenfolge eine dem Trägersubstrat zugewandte erste Hauptfläche und eine gegenüberliegende zweite Hauptfläche aufweist. Eine erste elektrische Kontaktschicht und eine zweite elektrische Kontaktschicht sind zumindest bereichsweise zwischen dem Trägersubstrat und der ersten Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge angeordnet, wobei die zweite elektrische Kontaktschicht durch einen Durchbruch in dem ersten Halbleiterbereich und der aktiven Zone in den zweiten Halbleiterbereich geführt ist. Die erste und die zweite elektrische Kontaktschicht sind durch eine elektrisch isolierende Schicht voneinander isoliert.
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Zwischen der Halbleiterschichtenfolge und dem Trägersubstrat ist eine Spiegelschicht angeordnet. Die Spiegelschicht kann insbesondere an der ersten Hauptfläche an die Halbleiterschichtenfolge angrenzen. Durch die Spiegelschicht wird vorteilhaft Strahlung, die von der aktiven Zone in Richtung des Trägersubstrats emittiert wird, zu der als Strahlungsauskoppelfläche dienenden zweiten Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge reflektiert.
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Die Spiegelschicht grenzt an Teilbereiche der ersten elektrischen Kontaktschicht und an Teilbereiche der elektrisch isolierenden Schicht an, wobei der überwiegende Teil der dem Trägersubstrat zugewandten Grenzfläche der Spiegelschicht von der ersten elektrischen Kontaktschicht bedeckt ist.
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Die Teilbereiche der elektrisch isolierenden Schicht, die an die Spiegelschicht angrenzen, sind vorteilhaft derart von der zweiten elektrischen Kontaktschicht bedeckt, dass sie an keiner Stelle an ein Umgebungsmedium des optoelektronischen Halbleiterchips angrenzen.
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Die Halbleiterschichtenfolge weist vorzugsweise eine Ausnehmung auf, in der die erste elektrische Kontaktschicht zur Ausbildung eines Anschlusskontakts freigelegt ist.
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Dadurch, dass der überwiegende Teil der dem Trägersubstrat zugewandten Grenzfläche der Spiegelschicht von der ersten elektrischen Kontaktschicht bedeckt ist, wird der überwiegende Teil der Spiegelschicht von der elektrisch isolierenden Schicht getrennt und somit vor Feuchtigkeit geschützt, die von den Seitenflanken des Halbleiterchips in die elektrisch isolierende Schicht eindringen könnte. Eine mögliche Degradation der Spiegelschicht wird auf diese Weise vorteilhaft vermindert.
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Dadurch, dass die Teilbereiche der elektrisch isolierenden Schicht, die an die Spiegelschicht angrenzen, derart von der zweiten elektrischen Kontaktschicht bedeckt sind, dass sie an keiner Stelle an ein Umgebungsmedium des optoelektronischen Halbleiterchips angrenzen, ist die Spiegelschicht an keiner Stelle im Kontakt zu einem Teilbereich der elektrisch isolierenden Schicht, der bis zu den Seitenflanken des Halbleiterchips reicht. Die Spiegelschicht wird also von der ersten elektrischen Kontaktschicht und der zweiten elektrischen Kontaktschicht hermetisch gekapselt und vor dem Eindringen von Feuchtigkeit geschützt.
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Die erste und die zweite elektrische Kontaktschicht dienen vorteilhaft zum einen zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterchips und zum anderen zum Schutz der Spiegelschicht vor Korrosion. Insbesondere bildet die erste elektrische Kontaktschicht einen Anschlusskontakt aus, der in einer Ausnehmung der Halbleiterschichtenfolge angeordnet ist. In der Ausnehmung ist die Halbleiterschichtenfolge bis zu der ersten elektrischen Kontaktschicht abgetragen, so dass die erste elektrische Kontaktschicht dort von außen kontaktierbar ist. Insbesondere kann der Anschlusskontakt ein Bondpad ausbilden, das mit einem Bonddraht verbunden werden kann.
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Die erste elektrische Kontaktschicht enthält vorzugsweise Gold, Titan, Chrom, Titannitrid, Titanwolframnitrid oder Nickel oder besteht daraus. Diese Materialien zeichnen sich vorteilhaft einerseits durch eine gute elektrische Leitfähigkeit und andererseits durch ihre Eignung als Diffusionsbarriere aus.
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Die Spiegelschicht enthält vorzugsweise Silber, Aluminium oder eine Silber- oder Aluminiumlegierung oder besteht daraus. Silber und Aluminium zeichnen sich durch eine hohe Reflexion im sichtbaren Spektralbereich aus. Weiterhin haben diese Materialien eine gute elektrische Leitfähigkeit und bilden einen Metall-Halbleiterkontakt mit geringem Kontaktwiderstand aus. Dies ist vorteilhaft, da die Spiegelschicht vorteilhaft an die Halbleiterschichtenfolge angrenzt und auf diese Weise den ersten Halbleiterbereich mit der ersten elektrischen Kontaktschicht elektrisch leitend verbindet.
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Die zweite elektrische Kontaktschicht enthält wie die Spiegelschicht vorzugsweise Silber, Aluminium oder eine oder eine Silber- oder Aluminiumlegierung, oder besteht daraus. Eine hohe Reflexion im sichtbaren Spektralbereich und eine gute elektrische Leitfähigkeit sind für die zweite elektrische Kontaktschicht vorteilhaft, da auch die zweite elektrische Kontaktschicht zumindest bereichsweise an die Halbleiterschichtenfolge angrenzt und auf diese Weise den zweiten Halbleiterbereich elektrisch kontaktiert.
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Die elektrisch isolierende Schicht, welche die erste elektrische Kontaktschicht und die zweite elektrische Kontaktschicht voneinander isoliert, enthält vorzugsweise ein Siliziumoxid, ein Siliziumnitrid, ein Siliziumoxinitrid oder ein Aluminiumoxid.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung grenzt die erste elektrische Kontaktschicht unmittelbar an einen Teilbereich des ersten Halbleiterbereichs der Halbleiterschichtenfolge an, der neben dem Anschlusskontakt angeordnet ist. Die erste elektrische Kontaktschicht ist bei dieser Ausgestaltung also nicht nur über die Spiegelschicht mit der Halbleiterschichtenfolge verbunden, sondern grenzt zumindest teilweise auch direkt an die Halbleiterschichtenfolge an. Insbesondere kann die erste elektrische Kontaktschicht um den Anschlusskontakt herum einen umlaufenden Kontakt mit der Halbleiterschichtenfolge ausbilden. Der Teilbereich des ersten Halbleiterbereichs, an den die erste elektrische Kontaktschicht unmittelbar angrenzt, kann den Anschlusskontakt beispielsweise ringförmig oder in Form eines Rechtecks oder Quadrats umgeben.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung überragt zumindest ein Teilbereich des zweiten Halbleiterbereichs den ersten Halbleiterbereich seitlich. Der zweite Halbleiterbereich weist also vorzugsweise eine größere laterale Ausdehnung als der erste Halbleiterbereich der Halbleiterschichtenfolge auf. Der zumindest eine Teilbereich des zweiten Halbleiterbereichs, der den ersten Halbleiterbereich seitlich überragt, ist vorzugsweise den Seitenflanken des Halbleiterchips benachbart.
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Die zweite elektrische Kontaktschicht grenzt vorzugsweise in dem Bereich, in dem der zweite Halbleiterbereich den ersten Halbleiterbereich seitlich überragt, zumindest teilweise direkt an den zweiten Halbleiterbereich an. Dies hat den Vorteil, dass die zweite elektrische Kontaktschicht den zweiten Halbleiterbereich nicht nur in dem Durchbruch kontaktiert, durch den sie durch ersten Halbleiterbereich und die aktive Zone hindurch in den zweiten Halbleiterbereich hineingeführt ist, sondern auch in den Bereichen, in denen der zweite Halbleiterbereich den ersten Halbleiterbereich seitlich überragt.
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Insbesondere kann die zweite elektrische Kontaktschicht einen umlaufenden Kontakt zu dem zweiten Bereich der Halbleiterschichtenfolge ausbilden. Unter einem „umlaufenden” Kontakt wird dabei ein Kontakt verstanden, der vollständig um den ersten Halbleiterbereich herumgeführt ist, in dem er diesen beispielsweise ringförmig oder rechteckförmig umgibt.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Anschlusskontakt außerhalb der Mitte des Halbleiterchips angeordnet. Insbesondere ist der Mittelpunkt des Anschlusskontakts weiter vom Mittelpunkt der Halbleiterschichtenfolge entfernt als von zumindest einer Seitenflanke der Halbleiterschichtenfolge. Besonders vorteilhaft ist der Anschlusskontakt in der Nähe einer Ecke des Halbleiterchips angeordnet, wobei der Mittelpunkt des Anschlusskontakts vorteilhaft von mindestens zwei Seitenflanken des Halbleiterchips einen geringeren Abstand aufweist als vom Mittelpunkt des Halbleiterchips. Durch die Anordnung des Anschlusskontakts in einem Randbereich oder besonders bevorzugt in der Nähe einer Ecke der Halbleiterschichtenfolge wird der zentrale Bereich des Halbleiterchips vorteilhaft nicht von dem Anschlusskontakt abgeschattet und somit die Effizienz des Halbleiterchips erhöht.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung grenzt der Anschlusskontakt nicht direkt an eine Seitenflanke oder Ecke der Halbleiterschichtenfolge an, sondern ist in lateraler Richtung allseitig von einem Teil der Halbleiterschichtenfolge umgeben. Dies hat den Vorteil, dass ein den Anschlusskontakt umlaufender direkter Kontakt zwischen der ersten elektrischen Kontaktschicht und dem ersten Bereich der Halbleiterschichtenfolge ermöglicht wird. Auf diese Weise wird eine gute Stromeinprägung in dem Halbleiterchip erzielt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Halbleiterbereich ein p-Typ-Halbleiterbereich und der zweite Halbleiterbereich ein n-Typ-Halbleiterbereich. Die Spiegelschicht grenzt bei dieser Ausgestaltung also an den p-Typ-Halbleiterbereich an, und die zweite elektrische Kontaktschicht ist durch den Durchbruch in den n-Typ-Halbleiterbereich hineingeführt. Der p-Typ-Halbleiterbereich ist dem Trägersubstrat und der n-Typ-Halbleiterbereich der als Strahlungsaustrittsfläche dienenden zweiten Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge zugewandt.
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Die dem Trägersubstrat gegenüberliegende Oberfläche des zweiten Halbleiterbereichs ist vorzugsweise frei von Anschlusskontakten. Dies hat den Vorteil, dass Strahlung durch den gesamten Bereich der Oberfläche der zweiten Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge, abgesehen von dem Anschlusskontakt in der Ausnehmung der Halbleiterschichtenfolge, ausgekoppelt werden kann. Insbesondere kann die zweite Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge zur weiteren Verbesserung der Strahlungsauskopplung mit einer Aufrauhung oder einer Auskoppelstruktur versehen werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Halbleiterschichtenfolge des optoelektronischen Halbleiterchips kein Aufwachssubstrat auf. In diesem Fall handelt es sich bei dem Halbleiterchip um einen so genannten Dünnfilm-Leuchtdiodenchip, bei dem das zum epitaktischen Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge verwendete Aufwachssubstrat nach dem Verbinden der Halbleiterschichtenfolge mit dem Trägersubstrat abgelöst wurde.
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Der Halbleiterchip ist vorzugsweise mittels einer Lotschicht mit dem Trägersubstrat verbunden. Insbesondere kann der Halbleiterchip an der dem ursprünglichen Aufwachssubstrat gegenüberliegenden Seite mit dem Trägersubstrat verbunden sein.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 3 näher erläutert.
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Es zeigen:
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1A eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen optoelektronischen Halbleiterchip gemäß einem Ausführungsbeispiel,
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1B eine schematische Darstellung einer Aufsicht auf den in Figur 1A dargestellten optoelektronischen Halbleiterchip,
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2A bis 2M eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung des in den 1A und 1B dargestellten optoelektronischen Halbleiterchips anhand von Zwischenschritten,
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3A eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen optoelektronischen Halbleiterchip gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, und
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3B eine schematische Darstellung einer Aufsicht auf den in 3A dargestellten optoelektronischen Halbleiterchip.
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Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
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Der in Figur 1A im Querschnitt und in 1B in einer Aufsicht dargestellte optoelektronische Halbleiterchip 1 enthält eine Halbleiterschichtenfolge 2, die einen ersten Halbleiterbereich 3 eines ersten Leitungstyps und einen zweiten Halbleiterbereich 5 eines zweiten Leitungstyps aufweist. Vorzugsweise ist der erste Halbleiterbereich 3 ein p-Typ-Halbleiterbereich und der zweite Halbleiterbereich 5 ein n-Typ-Halbleiterbereich. Zwischen dem ersten Halbleiterbereich 3 und dem zweiten Halbleiterbereich 5 ist eine aktive Zone 4 angeordnet.
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Die aktive Zone 4 des optoelektronischen Halbleiterchips 1 kann insbesondere eine zur Emission von Strahlung geeignete aktive Zone sein. In diesem Fall handelt es sich bei dem optoelektronischen Halbleiterchip 1 um eine Lumineszenzdiode, insbesondere um eine LED. Alternativ wäre es auch denkbar, dass die aktive Zone 4 eine strahlungsdetektierende Schicht ist, wobei es sich bei dem optoelektronischen Halbleiterchip 1 in diesem Fall um ein Detektorbauelement handelt. Die aktive Zone 4 kann zum Beispiel als pn-Übergang, als Doppelheterostruktur, als Einfach-Quantentopfstruktur oder Mehrfach-Quantentopfstruktur ausgebildet sein.
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Die Halbleiterschichtenfolge 2 des Halbleiterchips 1 basiert vorzugsweise auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial, insbesondere auf einem Arsenid-, Nitrid- oder Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial. Beispielsweise kann die Halbleiterschichtenfolge 2 InxAlyGa1-x-yN, InxAlyGa1-x-yP oder InxAlyGa1-x-yAs, jeweils mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1, enthalten. Dabei muss das III-V-Verbindungshalbleitermaterial nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach einer der obigen Formeln aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die physikalischen Eigenschaften des Materials im wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhalten obige Formeln jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
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Der Halbleiterchip 1 ist mit einer Verbindungsschicht 21, bei der es sich insbesondere um eine Lotschicht aus einem Metall oder einer Metalllegierung handeln kann, mit einem Trägersubstrat 10 verbunden.
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Zur elektrischen Kontaktierung weist der Halbleiterchip 1 eine erste elektrische Kontaktschicht 7 und eine zweite elektrische Kontaktschicht 8 auf. Die erste elektrische Kontaktschicht 7 ist mit dem ersten Halbleiterbereich 3 und die zweite elektrische Kontaktschicht 8 mit dem zweiten Halbleiterbereich 5 elektrisch leitend verbunden.
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Sowohl die erste elektrische Kontaktschicht 7 als auch die zweite elektrische Kontaktschicht 8 sind zumindest bereichsweise zwischen einer dem Trägersubstrat 10 zugewandten ersten Hauptfläche 11 der Halbleiterschichtenfolge 2 und dem Trägersubstrat 10 angeordnet. Die erste elektrische Kontaktschicht und die zweite elektrische Kontaktschicht werden mittels einer elektrisch isolierenden Schicht 9 elektrisch voneinander isoliert. Die elektrisch isolierende Schicht 9 enthält vorzugsweise ein Siliziumoxid, ein Siliziumnitrid, ein Siliziumoxinitrid, ein Aluminiumoxid oder besteht daraus.
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Alternativ kann die elektrisch isolierende Schicht 9 auch andere Oxide oder Nitride enthalten.
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Die dem Trägersubstrat 10 gegenüberliegende zweite Hauptfläche 12 der Halbleiterschichtenfolge 2 dient als Strahlungsauskoppelfläche des optoelektronischen Halbleiterchips 1 und ist vorteilhaft frei von elektrischen Kontaktschichten. Um die Strahlungsauskopplung zu verbessern, kann die zweite Hauptfläche 12 mit einer Auskoppelstruktur 23 oder einer Aufrauhung versehen sein.
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Um die Strahlungsausbeute des optoelektronischen Halbleiterchips zu verbessern, ist zwischen der Halbleiterschichtenfolge 2 und dem Trägersubstrat 10 eine Spiegelschicht 6 angeordnet. Die Spiegelschicht 6 ist dem ersten Halbleiterbereich 3 an der dem Trägersubstrat 10 zugewandten Seite nachgeordnet und kann insbesondere an die erste Hauptfläche 11 der Halbleiterschichtenfolge 2 angrenzen. Es ist auch möglich, dass zwischen dem ersten Halbleiterbereich 3 und der Spiegelschicht 6 eine Zwischenschicht angeordnet ist, beispielsweise eine dünne Haftvermittlerschicht. Die Spiegelschicht 6 enthält insbesondere Silber, Aluminium oder eine Metalllegierung mit Silber oder Aluminium. Diese Materialien zeichnen sich durch eine hohe Reflektivität im sichtbaren Spektralbereich und eine gute elektrische Leitfähigkeit aus. Die Spiegelschicht 6 hat zum einen die Funktion, von der aktiven Zone 4 in Richtung des Trägersubstrats 10 emittierte Strahlung zur Strahlungsauskoppelfläche 12 zu reflektieren. Weiterhin dient die Spiegelschicht 6 auch zur elektrischen Kontaktierung des ersten Halbleiterbereichs 3. Insbesondere grenzt die Spiegelschicht 6 an der dem Trägersubstrat 10 zugewandten Seite an die erste elektrische Kontaktschicht 7 an und ist somit mit der ersten elektrischen Kontaktschicht 7 elektrisch leitend verbunden.
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Die erste elektrische Kontaktschicht 7 bedeckt vorzugsweise den überwiegenden Teil der dem Trägersubstrat 10 zugewandten Grenzfläche 16 der Spiegelschicht. Die erste elektrische Kontaktschicht 7 enthält vorzugsweise Gold, Titan, Chrom, Titannitrid, Titanwolframnitrid oder Nickel oder besteht daraus. Diese Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass sie elektrisch leitfähig und zudem chemisch inert sind. Auf diese Weise wird die Spiegelschicht 6 in den Bereichen, in denen sie von der ersten elektrischen Kontaktschicht 7 bedeckt ist, vorteilhaft vor Korrosion geschützt.
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Die Spiegelschicht 6 grenzt weiterhin an Teilbereiche 19 der elektrisch isolierenden Schicht 9 an, welche die erste elektrische Kontaktschicht 7 und die zweite elektrische Kontaktschicht 8 voneinander isoliert. Vorteilhaft sind die Teilbereiche 19 der elektrisch isolierenden Schicht 9, die an die Spiegelschicht 6 angrenzen, derart von der zweiten elektrischen Kontaktschicht 8 bedeckt, dass sie an keiner Stelle an ein Umgebungsmedium des optoelektronischen Halbleiterchips 1 angrenzen. Die an die Spiegelschicht 6 angrenzenden Teilbereiche 19 der elektrisch isolierenden Schicht 9 werden auf diese Weise hermetisch gekapselt, so dass insbesondere keine Feuchtigkeit von den Seitenflanken des Halbleiterchips 1 durch die elektrisch isolierende Schicht 9 an die Spiegelschicht 6 gelangen kann. Auf diese Weise wird einer Korrosion der gegenüber Feuchtigkeit empfindlichen Spiegelschicht 6 vorgebeugt.
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Die Halbleiterschichtenfolge 2 weist eine Ausnehmung 17 auf, in der die Halbleiterschichtenfolge 2 bis zur ersten elektrischen Kontaktschicht 7 hin abgetragen ist. Die erste elektrische Kontaktschicht 7 bildet somit einen von außen zugänglichen Anschlusskontakt 14 aus, der in der Ausnehmung 17 angeordnet ist. Der Anschlusskontakt 14 kann insbesondere ein Bondpad sein, das zum Anschluss eines Bonddrahts vorgesehen ist. Die Ausnehmung 17 kann mittels eines Ätzverfahrens hergestellt sein und beispielsweise schräge Seitenflanken 28 aufweisen.
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Die zweite elektrische Kontaktschicht 8 ist beispielsweise über die Rückseite des Halbleiterchips 1, insbesondere über ein elektrisch leitfähiges Trägersubstrat 10 und die Lotschicht 21 von außen elektrisch anschließbar. Zwischen der Lotschicht 21 und der zweiten elektrischen Kontaktschicht 8 kann eine Barriereschicht 22 angeordnet sein, die insbesondere eine Diffusion von Bestandteilen der Lotschicht 21 in die zweite elektrische Kontaktschicht 8 und umgekehrt verhindert.
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Die zweite elektrische Kontaktschicht 8 ist durch einen Durchbruch 18, der durch den ersten Halbleiterbereich 3 und die aktive Zone 4 hindurch verläuft, an den zweiten Halbleiterbereich 5 elektrisch leitend angeschlossen. Im Bereich des Durchbruchs 18 sind die aktive Zone 4, der erste Halbleiterbereich 3, die Spiegelschicht 6 und die erste elektrische Kontaktschicht 7 mittels der elektrisch isolierenden Schicht 9 von der zweiten elektrischen Kontaktschicht 8 isoliert.
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Vorteilhaft überragt ein Teilbereich 15 des zweiten Halbleiterbereichs 5 den ersten Halbleiterbereich 3 in lateraler Richtung. Der Teilbereich 15, in dem der zweite Halbleiterbereich 5 den ersten Halbleiterbereich 3 seitlich überragt, ist vorzugsweise den Seitenflanken des Halbleiterchips 1 benachbart. Vorzugsweise grenzt die zweite elektrische Kontaktschicht 8 in dem Teilbereich 15, in dem der zweite Halbleiterbereich 5 den ersten Halbleiterbereich 3 seitlich überragt, zumindest bereichsweise direkt an den zweiten Halbleiterbereich 5 an. Insbesondere stellt die zweite elektrische Kontaktschicht 8 auf diese Weise einen am Rand des Halbleiterchips 1 umlaufenden direkten Kontakt zu dem zweiten Halbleiterbereich 5 her. Eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der zweiten elektrischen Kontaktschicht 8 und dem zweiten Halbleiterbereich 5 besteht also zum einen im Bereich des Durchbruchs 18 und zum anderen in den Teilbereichen 15, in denen der zweite Halbleiterbereich 5 den ersten Halbleiterbereich 3 seitlich überragt. Auf diese Weise wird eine besonders effektive Stromeinprägung in den Halbleiterchip 1 erzielt.
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Die zweite elektrische Anschlussschicht 8 fungiert in den Bereichen, in denen sie direkt an Teilbereiche 15 des zweiten Halbleiterbereich 5 angrenzt, vorteilhaft nicht nur als Kontaktschicht, sondern auch als reflektierende Schicht, die einen Teil der in Richtung des Trägersubstrats 10 emittierten Strahlung zur als Strahlungsaustrittsfläche dienenden zweiten Hauptfläche 12 der Halbleiterschichtenfolge 2 hin reflektiert. Die zweite elektrische Anschlussschicht weist daher vorteilhaft ein Metall oder eine Metalllegierung mit einer hohen Reflektivität auf, insbesondere Silber, Aluminium oder eine Legierung mit Silber oder Aluminium.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn auch die erste elektrische Kontaktschicht 7 zumindest bereichsweise direkt an den ersten Halbleiterbereich 3 angrenzt. Dies kann insbesondere dadurch realisiert sein, dass die Spiegelschicht 6 nicht die gesamte dem Trägersubstrat 10 zugewandte Grenzfläche des ersten Halbleiterbereichs 3 bedeckt, sondern zumindest ein Teilbereich 13 des ersten Halbleiterbereichs 3 von der Spiegelschicht 6 ausgespart ist. Die erste elektrische Kontaktschicht 7 grenzt in dem von der Spiegelschicht unbedeckten Teilbereich 13 des ersten Halbleiterbereichs 3 direkt an den ersten Halbleiterbereich 3 an. Vorzugsweise ist der direkt an die erste elektrische Kontaktschicht 7 angrenzende Teilbereich 13 des ersten Halbleiterbereichs 3 neben dem Anschlusskontakt 14 angeordnet. Auf diese Weise wird eine besonders effektive Stromeinprägung von dem Anschlusskontakt 14 in den ersten Halbleiterbereich 3 erzielt.
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Der Teilbereich 13, in dem die erste elektrische Kontaktschicht 7 direkt an den ersten Halbleiterbereich 3 angrenzt, kann insbesondere ein um den Anschlusskontakt 14 umlaufender Bereich sein, das heißt der Teilbereich 13 kann insbesondere ring- oder rahmenförmig um den Anschlusskontakt 14 herumgeführt sein.
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Der Anschlusskontakt 14 ist vorzugsweise außerhalb der Mitte des Halbleiterchips 1 angeordnet. Wie in der Aufsicht in 1B zu sehen, ist der Anschlusskontakt 14 vorzugsweise in der Nähe einer Ecke des Halbleiterchips 1 angeordnet.
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Es ist vorteilhaft, wenn der Anschlusskontakt 14 nicht unmittelbar an eine Seitenflanke 24 der Halbleiterschichtenfolge 2 angrenzt. Vorzugsweise ist der Anschlusskontakt 14 in lateraler Richtung gesehen allseitig von einem Teil der Halbleiterschichtenfolge 2 umgeben. Dies ermöglicht es, dass der Kontakt zwischen der ersten elektrischen Kontaktschicht 7 und Teilbereichen 13 des ersten Halbleiterbereichs 3 umlaufend um den Anschlusskontakt 14 herum ausgeführt wird, um eine besonders effektive Stromeinprägung in den ersten Halbleiterbereich 3 zu erzielen.
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In den folgenden 2A bis 2M wird ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung des optoelektronischen Halbleiterchips beschrieben. Die zuvor beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen einzelner Bestandteile des optoelektronischen Halbleiterchips gelten in gleicher Weise für das im Folgenden beschriebene Verfahren und umgekehrt.
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Bei dem in 2A dargestellten Zwischenschritt des Verfahrens ist die Halbleiterschichtenfolge 2, die den ersten Halbleiterbereich 3, die aktive Zone 4 und den zweiten Halbleiterbereich 5 umfasst, auf ein Aufwachssubstrat 20 aufgewachsen worden. Das Aufwachsen erfolgt vorzugsweise epitaktisch, insbesondere mittels MOVPE. Die Halbleiterschichtenfolge 2 kann beispielsweise Nitridverbindungshalbleitermaterialien enthalten und das Aufwachsubstrat 20 ein Saphirsubstrat sein. Der erste Halbleiterbereich 3 ist vorzugsweise ein p-Typ-Halbleiterbereich und der zweite Halbleiterbereich 5 ist vorzugsweise ein n-Typ-Halbleiterbereich.
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Bei dem in 2B dargestellten Verfahrensschritt wurde eine Oxidschicht 25, beispielsweise eine Siliziumoxidschicht, auf den zweiten Halbleiterbereich 5 aufgebracht. Die Oxidschicht 25 dient zum Schutz des ersten Halbleiterbereichs 3 bei nachfolgenden Fotolithographie- und Ätzprozessen.
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Beim dem in 2C dargestellten Zwischenschritt wurde die Halbleiterschichtenfolge 2 fotolithographisch, insbesondere mittels reaktivem Ionenätzen (RIE-Reactive Ion Etching) strukturiert, wobei die Halbleiterschichtenfolge 2 in Teilbereichen bis in den zweiten Halbleiterbereich 5 hinein abgetragen wurde, das heißt der erste Halbleiterbereich 3 und die aktive Zone 4 sind in diesen Bereichen vollständig entfernt worden. Die auf diese Weise in Teilbereichen freigelegte Oberfläche des zweiten Halbleiterbereichs 5 kann durch induktiv gekoppeltes Plasmaätzen (ICP) behandelt werden, um das spätere Aufbringen eines Anschlusskontakts vorzubereiten.
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Bei dem in 2D dargestellten Verfahrensschritt ist die zuvor aufgebrachte Oxidschicht wieder entfernt worden, beispielsweise durch Ätzen mittels gepufferter Flusssäure (BOE – Buffered Oxide Etch). Weiterhin ist auf die zuvor strukturierte Halbleiterschichtenfolge 2 eine Metallisierung 26 aufgebracht worden, die vorzugsweise Silber oder Aluminium enthält und im fertigen Halbleiterchip Bereiche der Spiegelschicht und der zweiten elektrischen Kontaktschicht ausbildet. Vorteilhaft wird auf die Silber oder Aluminium enthaltende Metallisierung 26 eine Schutzschicht aufgebracht, beispielsweise ein Pt-Ti-Pt-Schichtenfolge (nicht dargestellt).
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Bei dem in 2E dargestellten Verfahrensschritt ist die Metallisierung 26 zur Ausbildung von getrennten Kontakten für den ersten Halbleiterbereich 3 und den zweiten Halbleiterbereich 5 strukturiert worden, beispielsweise mittels Fotolithographie. Die nach der Strukturierung auf dem ersten Halbleiterbereich 3 angeordneten Teilbereiche der Metallisierung bilden im fertigen Halbleiterchip die Spiegelschicht 6 aus. Die auf dem zweiten Halbleiterbereich 5 angeordneten Bereiche 8a der Metallisierung bilden im fertigen Halbleiterchip Teile der zweiten elektrischen Kontaktschicht aus.
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Auf die auf diese Weise hergestellte Struktur wurde bei dem in 2F dargestellten Zwischenschritt eine elektrisch isolierende Schicht 9 aufgebracht. Die elektrisch isolierende Schicht 9 kann insbesondere eine Siliziumoxid- oder eine Siliziumnitridschicht sein.
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Beim dem in 2G dargestellten Zwischenschritt wurden Öffnungen in der elektrisch isolierenden Schicht 9 erzeugt, um insbesondere die Spiegelschicht 6 freizulegen. Die Öffnungen können mittels Fotolithographie erzeugt werden, wobei insbesondere eine Ätzschritt mittels BOE erfolgen kann. Dies ermöglicht es, in einem späteren Verfahrensschritt eine Kontaktschicht auf die von der Halbleiterschichtenfolge 2 abgewandte Grenzfläche 16 der Spiegelschicht 6 aufbringen zu können. Bereichsweise wurde die elektrisch isolierende Schicht 9 bis zu einem Teilbereich 13 des ersten Halbleiterbereichs 3 abgetragen.
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Bei dem in 2H dargestellten Zwischenschritt ist die erste elektrische Kontaktschicht 7 aufgebracht und fotolithographisch strukturiert worden. Die erste elektrische Kontaktschicht 7 bedeckt die Oberfläche der Spiegelschicht 6 und stellt auf diese Weise zum einen den elektrischen Anschluss zum ersten Halbleiterbereich 3 her, und dient zum anderen als Verkapselung für das Material der Spiegelschicht 6. Die erste elektrische Kontaktschicht 7 kann insbesondere Gold, Titan, Chrom, Titannitrid, Titanwolframnitrid oder Nickel enthalten oder daraus bestehen. Es ist auch möglich, dass die erste elektrische Kontaktschicht 7 mehrere Teilschichten umfasst. Beispielsweise kann die erste elektrische Kontaktschicht 7 eine Titanschicht und eine nachfolgende Goldschicht umfassen.
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Bei dem in 2I dargestellten Zwischenschritt wurde eine elektrisch isolierende Schicht 9 aufgebracht, um die zuvor aufgebrachte erste elektrische Kontaktschicht 7 zu isolieren.
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Bei dem in 2J dargestellten Zwischenschritt wurden Öffnungen in der elektrisch isolierenden Schicht 9 erzeugt, um die zuvor aufgebrachten Teilbereiche 8a der zweiten elektrischen Kontaktschicht freizulegen. Dies kann beispielsweise fotolithografisch in Verbindung mit einem BOE-Ätzen erfolgen.
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Bei dem in 2K dargestellten Zwischenschritt wurde die gesamte zuvor hergestellte Schichtstruktur mit der zweiten elektrischen Kontaktschicht 8 überdeckt. Die zweite elektrische Kontaktschicht 8 enthält vorzugsweise Silber, Aluminium oder eine Legierung mit Silber oder Aluminium. Die zweite elektrische Kontaktschicht 8 dient zur elektrischen Kontaktierung des zweiten Halbleiterbereichs 5, der insbesondere ein n-Typ-Halbleiterbereich sein kann. Zur Herstellung des Kontakts zum zweiten Halbleiterbereich 5 grenzt die zweite elektrische Kontaktschicht 8 zum einen in einen Durchbruch 18, der durch den ersten Halbleiterbereich 3 und die aktive Zone 4 hindurch verläuft, an den zweiten Halbleiterbereich 5 an. Weiterhin grenzt die zweite elektrische Kontaktschicht 8 in einem Teilbereich 15 des zweiten Halbleiterbereichs 5, der entlang des Randes des Halbleiterchips 1 verläuft, an den zweiten Halbleiterbereich 5 an. Insbesondere ist auf diese Weise ein vollständig um einen Rand des Halbleiterchips 1 umlaufender Kontakt zwischen der zweiten elektrischen Kontaktschicht 8 und dem zweiten Halbleiterbereich 5 realisiert. Auf diese Weise wird eine besonders effiziente Stromeinprägung in den Halbleiterchip 1 erzielt.
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Bei dem in 2L dargestellten Zwischenschritt ist der Halbleiterchip 1 an einer von dem Aufwachssubstrat 20 abgewandten Seite mittels einer Lotschicht 21 mit einem Trägersubstrat 10 verbunden worden. Vor dem Verbinden des Trägersubstrats 10 mit dem Halbleiterchip 1 wird vorzugsweise eine Barriereschicht 22 auf die zweite elektrische Kontaktschicht 8 aufgebracht, um die vorzugsweise Silber oder Aluminium enthaltende zweite elektrische Kontaktschicht 8 vor einer Diffusion von Bestandteilen der Lotschicht 21 zu schützen. Die Lotschicht 21 kann insbesondere AuSn enthalten. Die Barriereschicht 22 kann beispielsweise TiWN enthalten.
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Das Trägersubstrat 10 ist vorzugsweise ein elektrisch leitfähiges Substrat, beispielsweise ein dotierter Halbleiterwafer aus Silizium oder Germanium.
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Bei dem in 2M dargestellten Zwischenschritt ist das Aufwachssubstrat 20 von dem Halbleiterchip 1 abgelöst worden. Der Halbleiterchip 1 ist im Vergleich zu den vorherigen Figuren um 180° gedreht dargestellt, da nun das dem ursprünglichen Aufwachssubstrat gegenüberliegende Trägersubstrat 10 als alleiniger Träger des Halbleiterchips 1 fungiert. Das Aufwachssubstrat, insbesondere ein Saphir-Substrat, kann zum Beispiel mittels eines Laser-Lift-Off-Prozesses von der Halbleiterschichtenfolge 2 abgelöst werden. Die Hauptfläche 12 des Halbleiterchips 1, von dem das Aufwachssubstrat 20 abgelöst wurde, wurde bei dem in 2M dargestellten Zwischenschritt zusätzlich mit einer Auskoppelstruktur 23 versehen, beispielsweise durch Ätzen mit KOH. Dies ist vorteilhaft, da die zweite Hauptfläche 12 des Halbleiterchips 1 im fertigen optoelektronischen Halbleiterchip 1 als Strahlungsauskoppelfläche dient.
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In einem weiteren Verfahrensschritt wird, wie in 1A dargestellt, der zweite Halbleiterbereich 5 mit einer Mesa-Struktur versehen, so dass der Halbleiterchip 1 in dem zweiten Halbleiterbereich 5 insbesondere schräge Seitenflanken 24 aufweisen kann. Weiterhin wird in dem zweiten Halbleiterbereich 5 eine Ausnehmung 17 erzeugt, in der der zweite Halbleiterbereich 5 bis zu der ersten elektrischen Kontaktschicht 7 abgetragen wird. Die Ausnehmung 17 kann schräge Seitenflanken 28 aufweisen. Das Herstellen der Mesa-Struktur und der Ausnehmung 17 kann durch einen nasschemischen Ätzprozess oder durch Trockenätzen erfolgen. Dadurch, dass die erste elektrische Kontaktschicht 7 in der Ausnehmung 17 freigelegt ist, bildet sie dort einen von außen zugänglichen elektrischen Anschlusskontakt 14 aus, der insbesondere als Bondpad zur Herstellung eines Drahtanschlusses dienen kann. Ein weiterer elektrischer Anschluss kann an der Rückseite des vorzugsweise elektrisch leitfähigen Trägersubstrats 10 vorgesehen sein, um auf diese Weise die zweite elektrische Kontaktschicht 8 elektrisch anzuschließen.
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Auf diese Weise wurde das in 1A dargestellte Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips 1 hergestellt.
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Das in 3A in einem Querschnitt und in 3B in einer Aufsicht dargestellte zweite Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips unterscheidet sich von dem in 1A dargestellten ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Ausnehmung 17 in der Halbleiterschichtenfolge 2 durch die gesamte Halbleiterschichtenfolge 2 hindurch bis zu der ersten elektrischen Kontaktschicht 7 hin führt. Der Anschlusskontakt 14 befindet sich daher auf der Höhe der ursprünglichen Oberflächen der Halbleiterschichtenfolge 2.
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Gegenüber dem in Figur 1A dargestellten Ausführungsbeispiel hat das in 3A dargestellte Ausführungsbeispiel folgenden Vorteil: Bei dem in 1A dargestellten Ausführungsbeispiel werden die an den Randbereich des Anschlusskontakts 14 angrenzenden Teilbereiche der elektrisch isolierenden Schicht 9 von der ersten elektrischen Kontaktschicht 7 überformt, die wiederum von dem Bereich der elektrisch isolierenden Schicht 9 überformt wird, der in einem Teilbereich 19 in Kontakt mit der Spiegelschicht 6 ist. Falls die Stufe, die durch die an den Anschlusskontakt angrenzenden Bereich der elektrisch isolierenden Schicht 9 gebildet werden, nur schlecht von der elektrischen Kontaktschicht 7 überformt werden, besteht die Gefahr, dass diese Teilbereiche der elektrisch isolierenden Schicht 9 mit der darüber angeordneten elektrisch isolierenden Schicht 9 in Kontakt geraten und auf diese Weise die Gefahr besteht, dass Feuchtigkeit durch die an das Umgebungsmedium angrenzenden Teilbereiche der elektrisch isolierenden Schicht 9 bis zur Spiegelschicht 6 gelangt.
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Dieses wird bei dem in 3A dargestellten Ausführungsbeispiel vermieden, da die elektrisch isolierende Schicht 9, die in Kontakt mit der Spiegelschicht 6 ist, keine weitere elektrisch isolierende Schicht überformt, die in Kontakt mit dem Umgebungsmedium ist. Allerdings muss bei dem in 3A dargestellten Ausführungsbeispiel eine weitere elektrisch isolierende Schicht 27 zumindest auf die Seitenflanken 28 der Ausnehmung 17 aufgebracht werden, um die dort freigelegte aktive Zone 4 zu schützen. Diese zusätzliche elektrisch isolierende Schicht 27 kann beispielsweise auf die gesamte vom Trägersubstrat 10 abgewandte zweite Hauptfläche 12 des Halbleiterchips 1, mit Ausnahme des Anschlusskontakts 14, aufgebracht werden.
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Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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