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Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Halbleiterchip mit einer ersten Halbleiterschichtenfolge und einer zweiten Halbleiterschichtenfolge. Weiter betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Halbleiterchips.
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Das Absinken der Effizienz von strahlungsemittierenden Halbleiterchips mit steigender Stromdichte ist ein bislang bestehendes Problem, was unter anderem die Helligkeit pro gegebener Fläche, also die Strahldichte, begrenzt. In Reihe geschaltete und/oder übereinander gestapelte Halbleiterchips können dieses Problem zum Teil lösen. Bei monolithisch übereinander gewachsenen Halbleiterchips, die Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich emittieren, ergeben sich jedoch aufgrund der großen Bandlücke extrem hohe Dotierstoffkonzentrationen, wobei gleichzeitig die Dotanden eine hohe Aktivierungsenergie aufweisen. Das führt zu einer drastischen Reduktion der effektiven Ladungsträgerdichte und zu ohmschen Verlusten an beispielsweise Tunnelübergängen, die im Halbleiterchip integriert sein können.
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Es ist herkömmlicher Weise bekannt, hohe Strahldichten mit vertikal übereinander gestapelten Halbleiterchips zu erzielen. Dabei sind die einzelnen Halbleiterchips mit einem kristallinen Tunnelübergang oder mit Bondschichten miteinander verbunden. Derartig gestapelte Halbleiterchips können bei hohen Effizienzen betrieben werden, wobei im Vergleich zu einfachen Halbleiterchips die gleiche Lichtmenge erzeugt werden kann, wodurch derartig gestapelte Halbleiterchips bei kleineren Stromdichten betrieben werden können. Jedoch zeigen diese vertikal übereinander gestapelten Halbleiterchips eine erhöhte Betriebsspannung, da ohmsche Verluste am Tunnelübergang nicht vermieden werden können. Zudem wird die Strahlungseffizienz durch interne Absorption im Halbleiterchip beeinträchtigt, selbst in dem Falle, in dem der Tunnelübergang verlustfrei arbeitet.
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Aus der Druckschrift
EP 1 601 026 A2 ist beispielsweise ein optoelektronisches Bauteil beschrieben, das einen Schichtstapel aufweisend zwei Halbleiterschichtenfolgen entgegen gesetzter Orientierung umfasst, die monolithisch integriert sind. Dabei weisen die Halbleiterschichtenfolgen jeweils einen ersten Halbleiterbereich und einen zweiten Halbleiterbereich auf, zwischen denen jeweils eine aktive Zone angeordnet ist. Zwischen den einzelnen Halbleiterschichtenfolgen ist eine Kontaktschicht angeordnet.
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In der Druckschrift
DE 10 2008 053 731 A1 ist ein optoelektronischer Halbleiterchip mit zwei aktiven Zonen beschrieben. Der Halbleiterchip ist dabei aus zwei separaten Halbleiterkörpern gebildet, die mittels einer Verbindungsschicht mechanisch verbunden sind.
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Druckschrift
US 5 696 389 A beschreibt ein lichtemittierendes Bauelement, das konzentrisch angeordnete Teilbereiche aufweist, wobei eine n-leitende Halbleiterschicht auf einem Substrat angeordnet und mit einer ersten Elektrodenschicht elektrisch leitend verbunden ist und wobei eine p-leitende Halbleiterschicht in Draufsicht die erste Elektrodenschicht umgibt und mit einer zweiten Elektrodenschicht elektrisch leitend verbunden ist.
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In der Druckschrift
US 7 842 958 B1 ist eine lichtemittierende Diode mit mindestens drei übereinander angeordneten Halbleiterschichten beschrieben, wobei zwei der drei übereinander angeordneten Halbleiterschichten jeweils durch ein Paar von Durchkontaktierungen elektrisch kontaktiert sind.
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In der Druckschrift
DE 10 2009 010 480 A1 ist eine Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung beschrieben, die eine erste Halbleiterschicht, eine aktive Schicht, eine zweite Halbleiterschicht, eine erste und zweite Elektrodenschicht, eine Isolationsschicht und ein elektrisch leitfähiges Substrat aufweist. Die zweite Elektrodenschicht weist einen freiliegenden Bereich an einer Grenzfläche zwischen der zweiten Elektrodenschicht und der zweiten Halbleiterschicht auf, wobei die erste Elektrodenschicht eine Kontaktstruktur umfasst, die mit der ersten Halbleiterschicht elektrisch verbunden ist. Die Kontaktstruktur ist gegenüber der zweiten Halbleiterschicht und der aktiven Schicht elektrisch isoliert und erstreckt sich von einer Fläche der ersten Elektrodenschicht zu der ersten Halbleiterschicht.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optoelektronischen Halbleiterchip anzugeben, mit dem hohe Strahldichten erzeugbar sind, wobei gleichzeitig ohmsche Verluste im Halbleiterchip vermieden werden. Weiter ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Herstellungsverfahren für einen derartig verbesserten Halbleiterchip anzugeben.
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Diese Aufgaben werden durch einen Halbleiterchip mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiter werden diese Aufgaben durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Halbleiterchips und dessen Herstellungsverfahren sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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In einer Ausführungsform weist der optoelektronische Halbleiterchip eine erste Halbleiterschichtenfolge auf, die einen ersten Halbleiterbereich eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen zweiten Halbleiterbereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps und eine zwischen dem ersten Halbleiterbereich und dem zweiten Halbleiterbereich angeordnete erste aktive Zone zur Erzeugung von einer ersten elektromagnetischen Strahlung aufweist. Der Schichtenstapel weist weiter eine zweite Halbleiterschichtenfolge auf, die den zweiten Halbleiterbereich des zweiten Leitfähigkeitstyps, einen dritten Halbleiterbereich des ersten Leitfähigkeitstyps und eine zwischen dem zweiten Halbleiterbereich und dem dritten Halbleiterbereich angeordnete zweite aktive Zone zur Erzeugung von einer zweiten elektromagnetischen Strahlung aufweist wobei der zweite Halbleiterbereich mittels zweier voneinander beabstandeter erster Durchbrüche kontaktiert ist, die sich von einer der ersten aktiven Zone abgewandten Oberfläche des ersten Halbleiterbereichs bis in den zweiten Halbleiterbereich erstrecken, und wobei in den ersten Durchbrüchen eine erste elektrische Kontaktschicht angeordnet ist und die erste Kontaktschicht den ersten Halbleiterbereich derart bedeckt, dass die ersten Durchbrüche über die erste elektrische Kontaktschicht miteinander verbunden sind.
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Unter einem Schichtstapel kann beispielsweise eine Abfolge von aufeinander gestapelten Schichten zu verstehen sein. Die Schichten sind dabei vorzugsweise auf ein Aufwachssubstrat epitaktisch abgeschieden. Die aktiven Zonen sind bevorzugt in vertikaler Richtung übereinander mit ihren Flachseiten aneinander angeordnet. Das heißt, bevorzugt sind die Schichten des Schichtstapels monolithisch integriert. Die Schichten sind dann epitaktisch übereinander gewachsen, ohne dass zwischen ihnen ein nicht-epitaktisch aufgebrachtes Verbindungsmittel - etwa in Form einer Bondschicht - angeordnet ist.
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Der Halbleiterchip weist also zwei Halbleiterschichtenfolgen mit jeweils einer aktiven Zone auf, wobei sich die beiden Halbleiterschichtenfolgen einen Halbleiterbereich teilen. Die erste und zweite Halbleiterschichtenfolge weisen demnach einen gemeinsamen zweiten Halbleiterbereich des zweiten Leitfähigkeitstyps auf. Der Schichtstapel weist dabei insgesamt lediglich genau drei Halbleiterbereiche auf. Durch den gemeinsamen Halbleiterbereich kann der elektrische Anschluss der Halbleiterschichtenfolgen durch beispielsweise Metallkontakte realisiert werden. Tunnelübergänge zwischen den Halbleiterschichtenfolgen beziehungsweise Bondschichten sind nicht notwendig. Der Halbleiterchip ist also frei von einem Tunnelübergang und einer Bondschicht zwischen den Halbleiterschichtenfolgen. Gleichzeitig ermöglicht sich der Betrieb des Halbleiterchips bei geringer Stromdichte. Mit Vorteil ist durch die geringe Stromdichte das Phänomen der Stromeinschnürung im Halbleiterchip reduziert. Darüber hinaus sind weniger Kontakte für eine optimale Stromaufweitung notwendig, was zu einer bevorzugt vereinfachten Epitaxiestruktur, zu einer Verringerung der Kontaktfläche und somit zu einer Erhöhung der aktiven Fläche führt. Insbesondere vereinfacht sich die Epitaxiestruktur durch die Verwendung des gemeinsamen Halbleiterbereichs und durch den Verzicht auf beispielsweise ein Mehrfachschichtsystem wie ein Übergitter, das herkömmlicherweise für die Ausbildung eines niederohmigen Tunnelübergangs benötigt wird.
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Aufgrund des gemeinsamen zweiten Halbleiterbereichs kann weiter mit Vorteil auf der n-Seite des Halbleiterchips ein dielektrischer Spiegel ohne externe Stromaufweitung Verwendung finden. Dieser dielektrische Spiegel ist aufgrund seiner gegenüber konventionellen Metallspiegeln erhöhten Reflektivität besonders vorteilhaft und kann die Effizienz weiter erhöhen. Auf der p-Seite kann mit Vorteil eine Stromaufweitung in dem Schichtstapel erfolgen. Zudem ermöglicht sich eine vereinfachte und exakte Prozessierung bei den verwendeten Stromaufweitungsschichten.
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Der erste Leitfähigkeitstyp des ersten Halbleiterbereichs ist beispielsweise ein n-Leitfähigkeitstyp. In diesem Fall ist somit auch der Leitfähigkeitstyp des dritten Halbleiterbereichs ein n-Leitfähigkeitstyp. Der zweite Leitfähigkeitstyp des zweiten Halbleiterbereichs ist hier ein p-Leitfähigkeitstyp.
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Entsprechend kann der erste Leitfähigkeitstyp ein p-Leitfähigkeitstyp und der zweite Leitfähigkeitstyp ein n-Leitfähigkeitstyp sein.
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Insbesondere unterscheiden sich der erste Leitfähigkeitstyp und der zweite Leitfähigkeitstyp voneinander.
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Der Halbleiterchip ist ein optoelektronischer Halbleiterchip, der die Umwandlung von elektronisch erzeugten Daten oder Energie in Lichtemission ermöglicht oder umgekehrt. Beispielsweise umfasst der optoelektronische Halbleiterchip einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip, beispielsweise eine LED.
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Die aktiven Zonen des Halbleiterchips enthalten vorzugsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfachquantentopfstruktur (SQW, Single Quantum Well) oder eine Mehrfachquantentopfstruktur (MQW, Multi Quantum Well) zur Strahlungserzeugung. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
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Die erste und zweite Halbleiterschichtenfolge umfassen vorzugsweise jeweils ein Halbleitermaterial. Insbesondere enthalten die erste und zweite Halbleiterschichtenfolge, insbesondere die aktiven Zonen, vorzugsweise ein III/V-Halbleitermaterial. III/V-Halbleitermaterialien sind zur Strahlungserzeugung im ultravioletten, über den sichtbaren bis in den infraroten Spektralbereich besonders geeignet.
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Der Halbleiterchip, insbesondere der Schichtstapel, weist eine Mehrzahl von aufeinander epitaktisch abgeschiedenen Halbleiterschichten auf, in denen jeweils die erste und zweite aktive Zone angeordnet sind. Beispielsweise sind die Schichten des Schichtstapels auf einem Aufwachssubstrat aufgewachsen, das anschließend zumindest teilweise oder vollständig abgelöst worden ist. Vorzugsweise sind die erste und die zweite Halbleiterschichtenfolge monolithisch integriert.
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Aufgrund des gemeinsamen zweiten Halbleiterbereichs ist zwischen der ersten Halbleiterschichtenfolge und der zweiten Halbleiterschichtenfolge kein Tunnelübergang und/oder Bondschichten angeordnet beziehungsweise notwendig. Insbesondere überschneiden sich die erste Halbleiterschichtenfolge und die zweite Halbleiterschichtenfolge. Die erste Halbleiterschichtenfolge geht somit in die zweite Halbleiterschichtenfolge über, indem der zweite Halbleiterbereich sowohl der ersten Halbleiterschichtenfolge als auch der zweiten Halbleiterschichtenfolge zugeordnet ist.
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Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform ist auf der von der zweiten Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite der ersten Halbleiterschichtenfolge eine Stromaufweitungsschicht angeordnet. Die Stromaufweitungsschicht ist beispielsweise ein dielektrischer Spiegel, ein Metallspiegel oder ein Combospiegel. Die Stromaufweitungsschicht muss dabei nicht zwangsläufig für die von den aktiven Zonen emittierte Strahlung transparent oder teiltransparent sein. In diesem Fall erfolgt die Strahlungsauskopplung aus dem Halbleiterchip auf der Seite der zweiten Halbleiterschichtenfolge, insbesondere über den dritten Halbleiterbereich.
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Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist eine von der zweiten aktiven Zone abgewandte Oberfläche des dritten Halbleiterbereichs eine Aufrauung und/oder Strahlungsauskoppelstrukturen auf. Über die aufgeraute oder mit Strukturen versehene Oberfläche erfolgt vorzugsweise die Strahlungsauskopplung aus dem Halbleiterchip. Die Strahlungsauskoppelstrukturen sind dabei vorzugsweise dreidimensionale Strukturen beispielsweise Pyramiden, Pyramidenstümpfe und/oder Linsenformen. Durch die aufgeraute Oberfläche oder die mit Strahlungsauskoppelstrukturen versehene Oberfläche kann insbesondere der Winkel, mit dem die in den aktiven Zonen erzeugte Strahlung an der Grenzfläche zwischen Schichtstapel und Umgebungsmedium auftrifft, verändert werden, so dass dieser Winkel von dem Totalreflektionswinkel abweicht, wodurch sich mit Vorteil die Strahlungsauskopplungseffizienz erhöht.
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Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist der Halbleiterchip zumindest einen ersten Durchbruch auf, der sich von einer von der ersten aktiven Zone abgewandten Oberfläche des ersten Halbleiterbereichs bis in den zweiten Halbleiterbereich hinein erstreckt. Der erste Durchbruch reicht demnach vollständig durch den ersten Halbleiterbereich und die erste aktive Zone hindurch bis in den zweiten Halbleiterbereich. Bevorzugt endet der erste Durchbruch im zweiten Halbleiterbereich, so dass der erste Durchbruch diesen nicht mehr vollständig durchdringt.
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Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform ist in dem zumindest einen ersten Durchbruch eine erste elektrische Kontaktschicht angeordnet, die von dem ersten Halbleiterbereich und der ersten aktiven Zone elektrisch isoliert angeordnet ist und den zweiten Halbleiterbereich elektrisch kontaktiert. Die elektrische Kontaktierung des zweiten Halbleiterbereichs erfolgt demnach durch die erste elektrische Kontaktschicht in dem ersten Durchbruch. Dabei kann der zweite Halbleiterbereich bevorzugt seitens des ersten Halbleiterbereichs von extern elektrisch kontaktiert sein.
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Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform ist auf der von der ersten aktiven Zone abgewandten Oberfläche des ersten Halbleiterbereichs eine zweite elektrische Kontaktschicht angeordnet, die von der ersten elektrischen Kontaktschicht elektrisch isoliert ist und den ersten Halbleiterbereich elektrisch kontaktiert. Hierzu ist beispielsweise auf der Oberfläche des ersten Halbleiterbereichs, die vom zweiten Halbleiterbereich abgewandt ist, die zweite elektrische Kontaktschicht aufgebracht. Diese zweite elektrische Kontaktschicht weist bevorzugt im Bereich des ersten Durchbruchs ebenfalls einen Durchbruch auf, durch die die erste elektrische Kontaktschicht des zweiten Halbleiterbereichs führt. Vorzugsweise ist zur elektrischen Isolierung der ersten Kontaktschicht von den Halbleiterschichten und der ersten aktiven Zone sowie von der zweiten Kontaktschicht eine elektrisch isolierende Schicht zwischen diesen Schichten angeordnet.
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Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform ist auf einer von der zweiten aktiven Zone abgewandten Oberfläche des dritten Halbleiterbereichs eine dritte elektrische Kontaktschicht angeordnet, die an einer Seitenfläche des Halbleiterchips elektrisch isoliert zum Halbleiterchip zur zweiten elektrischen Kontaktschicht führt und den dritten Halbleiterbereich elektrisch kontaktiert. Die zweite elektrische Kontaktschicht und die dritte elektrische Kontaktschicht sind dabei bevorzugt nicht voneinander elektrisch isoliert, sondern stehen in elektrischem Kontakt zueinander. Vorzugsweise ist die dritte elektrische Kontaktschicht eine für die von den aktiven Zonen emittierte Strahlung transparent ausgebildet, beispielsweise eine TCO-Schicht (Transparent Conductive Oxide). So kann auch weiterhin eine effiziente Strahlungsauskopplung auf Seiten des dritten Halbleiterbereichs gewährleistet werden.
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Eine wie beschrieben elektrische Kontaktierung über die drei elektrischen Kontaktschichten ermöglicht von extern eine Kontaktierung mit lediglich zwei elektrischen Anschlussbereichen. Dabei werden die zweite und die dritte elektrische Kontaktschicht gemeinsam von extern elektrisch kontaktiert, beispielsweise mittels eines Bonddrahtes. Die erste elektrische Kontaktschicht kann beispielsweise über einen elektrisch leitfähigen Trägerkörper kontaktiert werden, auf dem die erste Kontaktschicht und anschließend der Schichtstapel des Halbleiterchips angeordnet sind.
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Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist der Halbleiterchip zumindest einen zweiten Durchbruch auf, der sich von der von der ersten aktiven Zone abgewandten Oberfläche des ersten Halbleiterbereichs bis in den dritten Halbleiterbereich hineinerstreckt. Der zumindest eine zweite Durchbruch reicht demnach durch den ersten Halbleiterbereich, die erste aktive Zone, den zweiten Halbleiterbereich und die zweite aktive Zone in den dritten Halbleiterbereich hinein. Dabei durchdringt der zumindest eine zweite Durchbruch den dritten Halbleiterbereich nicht vollständig, so dass der zumindest eine zweite Durchbruch im dritten Halbleiterbereich endet.
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Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform ist in dem zumindest einen zweiten Durchbruch eine zweite elektrische Kontaktschicht angeordnet, die von der ersten aktiven Zone, dem zweiten Halbleiterbereich und der zweiten aktiven Zone elektrisch isoliert angeordnet ist und den dritten Halbleiterbereich elektrisch kontaktiert. Die zweite elektrische Kontaktschicht ist demnach geeignet, Halbleiterbereiche des ersten Leitfähigkeitstyps zu kontaktieren. Die elektrische Isolierung wird beispielsweise mittels einer elektrisch isolierenden Schicht realisiert, die den zumindest einen zweiten Durchbruch ummantelt.
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Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform ist die zweite elektrische Kontaktschicht zudem auf der von der ersten aktiven Zone abgewandten Seite des ersten Halbleiterbereichs angeordnet und kontaktiert diesen elektrisch. Die zweite elektrische Kontaktschicht ist demnach zur elektrischen Kontaktierung des ersten und dritten Halbleiterbereichs des ersten Leitfähigkeitstyps geeignet und vorgesehen, während die erste elektrische Kontaktschicht geeignet zum elektrischen Kontaktieren des zweiten Halbleiterbereichs des zweiten Leitfähigkeitstyps ist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist auf der von der ersten aktiven Zone abgewandten Seite des ersten Halbleiterbereichs eine dritte elektrische Kontaktschicht elektrisch isoliert von der ersten Kontaktschicht und der zweiten Kontaktschicht angeordnet, die den ersten Halbleiterbereich elektrisch kontaktiert. Die elektrische Isolierung zwischen den einzelnen Kontaktschichten kann dabei beispielsweise mittels einer elektrisch isolierenden Schicht oder mittels eines Abstandes zueinander gewährleistet werden.
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Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform sind die erste elektromagnetische Strahlung und die zweite elektromagnetische Strahlung identisch. In diesem Fall sind die erste aktive Zone und die zweite aktive Zone im Wesentlichen identisch bezüglich ihrer Ausgestaltung, ihres Materials und/oder ihrer Dicke etc. ausgebildet, so dass die aktiven Zonen beide geeignet sind, Strahlungen im ähnlichen Wellenlängenbereich zu emittieren. Unter ähnlichem Wellenlängenbereich ist insbesondere zu verstehen, dass die Strahlungen im gleichen Farbortbereich liegen.
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Gemäß zumindest einer alternativen Ausgestaltung ist die erste elektromagnetische Strahlung unterschiedlich zur zweiten elektromagnetischen Strahlung. Die Strahlungen unterscheiden sich also in ihrem Farbort. In diesem Fall ist der Halbleiterchip geeignet, eine Mischstrahlung von erster elektromagnetischer Strahlung und zweiter elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise weiße Strahlung, zu emittieren. Die erste und zweite elektromagnetische Strahlung werden dabei auf derselben Strahlungsauskoppelseite des Halbleiterchips aus diesem ausgekoppelt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Halbleiterchips folgende Verfahrensschritte:
- A) Aufwachsen eines dritten Halbleiterbereichs eines ersten Leitfähigkeitstyps auf einem Aufwachssubstrat,
- B) Aufwachsen einer zweiten aktiven Zone auf dem dritten Halbleiterbereich, die geeignet ist, eine zweite elektromagnetische Strahlung zu erzeugen,
- C) Aufwachsen eines zweiten Halbleiterbereichs eines zweiten Leitfähigkeitstyps auf die zweite aktive Zone,
- D) Aufwachsen einer ersten aktiven Zone auf den zweiten Halbleiterbereich, die geeignet ist, eine erste elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, und
- E) Aufwachsen eines ersten Halbleiterbereichs eines ersten Leitfähigkeitstyps auf der ersten aktiven Zone, wobei erste Durchbrüche gebildet werden, dass
- - der zweite Halbleiterbereich mittels zweier voneinander beabstandeter erster Durchbrüche kontaktiert ist, die sich von einer der ersten aktiven Zone abgewandten Oberfläche des ersten Halbleiterbereichs bis in den zweiten Halbleiterbereich erstrecken, und
- - in den ersten Durchbrüchen eine erste elektrische Kontaktschicht angeordnet ist und die erste Kontaktschicht den ersten Halbleiterbereich derart bedeckt, dass die ersten Durchbrüche über die erste elektrische Kontaktschicht miteinander verbunden sind.
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Die in Verbindung mit dem Halbleiterchip angeführten Merkmale und Vorteile finden auch im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren Anwendung und umgekehrt.
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Ein derart hergestellter Halbleiterchip zeichnet sich durch einen gemeinsamen zweiten Halbleiterbereich des zweiten Leitfähigkeitstyps aus, der sowohl der ersten Halbleiterschichtenfolge als auch der zweiten Halbleiterschichtenfolge zuordenbar ist. Dadurch können vorzugsweise hohe Strahldichten bevorzugt verlustfrei erzeugt werden, da keine zusätzlichen im Halbleiterchip angeordneten Tunnelübergänge und/oder Bondschichten Verwendung finden. Die Schichten der einzelnen Halbleiterbereiche werden nacheinander auf dem Aufwachssubstrat aufgewachsen und somit monolithisch integriert hergestellt. Das Aufwachssubstrat kann nach dem Verfahrensschritt E) vollständig oder zumindest teilweise abgelöst werden. In diesem Fall wird vorzugsweise der Halbleiterchip auf einem externen Träger montiert.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens werden zumindest ein erster Durchbruch, der sich von einer von der ersten aktiven Zone abgewandten Oberfläche des ersten Halbleiterbereichs bis in den zweiten Halbleiterbereich hineinerstreckt und/oder zumindest ein zweiter Durchbruch, der sich von einer von der ersten aktiven Zone abgewandten Oberfläche des ersten Halbleiterbereichs bis in den dritten Halbleiterbereich hineinerstreckt, ausgebildet. Der erste und/oder zweite Durchbruch dienen insbesondere zur elektrischen Kontaktierung des zweiten und/oder dritten Halbleiterbereichs von Seiten des ersten Halbleiterbereichs. Hierzu werden die Durchbrüche vorzugsweise mittels einer elektrisch isolierenden Schicht ummantelt, wobei anschließend in dem ersten und/oder zweiten Durchbruch jeweils eine Kontaktschicht aus elektrisch leitfähigem Material eingebracht wird.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1 bis 5 beschriebenen Ausführungsbeispielen.
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Es zeigen:
- 1A und 1B jeweils einen schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines zweiten Halbleiterbereichs eines Halbleiterchips,
- 2 einen schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Halbleiterchips gemäß dem Stand der Technik, und
- 3A bis 5B jeweils einen schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterchips.
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In den Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellte Bestandteile und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Bestandteile wie beispielsweise Schichten, Strukturen, Komponenten und Bereiche zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
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In 2 ist ein Querschnitt eines Halbleiterchips mit einem Schichtenstapel gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Der Halbleiterchip weist eine erste Halbleiterschichtenfolge 21a und eine zweite Halbleiterschichtenfolge 21b auf. Die erste Halbleiterschichtenfolge 21a umfasst einen ersten Halbleiterbereich 2a eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen zweiten Halbleiterbereich 2b eines zweiten Leitfähigkeitstyps und eine zwischen dem ersten Halbleiterbereich 2a und dem zweiten Halbleiterbereich 2b angeordnete erste aktive Zone 1a zur Erzeugung von einer ersten elektromagnetischen Strahlung. Der erste Leitfähigkeitstyp und der zweite Leitfähigkeitstyp unterscheiden sich dabei. Beispielsweise ist der erste Leitfähigkeitstyp ein n-Leitfähigkeitstyp und der zweite Leitfähigkeitstyp ein p-Leitfähigkeitstyp oder umgekehrt. Die zweite Halbleiterschichtenfolge 21b umfasst einen dritten Halbleiterbereich 2c des ersten Leitfähigkeitstyps, einen vierten Halbleiterbereich 2d des zweiten Leitfähigkeitstyps und eine zwischen dem dritten Halbleiterbereich 2c und dem vierten Halbleiterbereich 2d angeordnete zweite aktive Zone 1b zur Erzeugung von einer zweiten elektromagnetischen Strahlung. Der dritte Halbleiterbereich ist dabei wiederum ein n-Leitfähigkeitstyp und der vierte Halbleiterbereich ein p-Leitfähigkeitstyp oder umgekehrt.
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Zwischen der ersten Halbleiterschichtenfolge 21a und der zweiten Halbleiterschichtenfolge 21b ist ein Tunnelübergang 3 angeordnet. Die Halbleiterschichtenfolgen sind bevorzugt mit dem kristallinen Tunnelübergang 3 oder einer leitfähigen Bondschicht miteinander verbunden.
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Mittels der vertikal übereinander gestapelten Halbleiterschichtenfolgen 21a, 21b können mit Vorteil hohe Strahldichten erzielt werden. Gleichzeitig können solche gestapelten Halbleiterchips bei hohen Effizienzen betrieben werden. Jedoch zeigen derartige Halbleiterchips eine erhöhte Betriebsspannung, da am Tunnelübergang 3 ohmsche Verluste auftreten können. Zudem kann die Strahlungseffizienz durch interne Absorptionen im Tunnelübergang 3 beeinträchtigt werden.
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In 1A ist ein Halbleiterchip dargestellt, der die herkömmlich auftretenden Nachteile vermeidet. Der optoelektronische Halbleiterchip der 1A weist einen Schichtenstapel auf, der eine erste Halbleiterschichtenfolge 21a und eine zweite Halbleiterschichtenfolge 21b umfasst. Die erste Halbleiterschichtenfolge 21a weist einen ersten Halbleiterbereich 2a eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen zweiten Halbleiterbereich 2b eines zweiten Leitfähigkeitstyps und eine zwischen dem ersten Halbleiterbereich 2a und dem zweiten Halbleiterbereich 2b angeordnete erste aktive Zone 1a zur Erzeugung von einer ersten elektromagnetischen Strahlung auf. Die zweite Halbleiterschichtenfolge 21b weist ebenfalls den zweiten Halbleiterbereich 2b des zweiten Leitfähigkeitstyps und einen dritten Halbleiterbereich 12c des ersten Leitfähigkeitstyps auf. Zwischen dem zweiten Halbleiterbereich 2b und dem dritten Halbleiterbereich 2c ist eine zweite aktive Zone 1b zur Erzeugung von einer zweiten elektromagnetischen Strahlung angeordnet.
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Bei diesem Halbleiterchip wird im Vergleich zu dem herkömmlichen Halbleiterchip also ein üblicherweise verwendeter Tunnelübergang oder üblicherweise verwendete Bondschichten zwischen den beiden Halbleiterschichtenfolgen 21a, 21b vermieden. Die Halbleiterschichtenfolgen 21a, 21b teilen sich insbesondere den zweiten Halbleiterbereich 2b. Dabei werden die Halbleiterschichtenfolgen mit jeweils einer aktiven Zone übereinander gestapelt, so dass auch weiterhin eine optimale und hohe Strahlungseffizienz erzielt werden kann.
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Der erste Leitfähigkeitstyp kann ein p-Leitfähigkeitstyp und der zweite Leitfähigkeitstyp ein n-Leitfähigkeitstyp sein oder umgekehrt. Der Halbleiterchip weist demnach eine Abfolge der Leitfähigkeitstypen wie folgt auf: pnp-Typ oder npn-Typ.
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Die aktiven Zonen 1a, 1b können vorzugsweise geeignet sein, Strahlung in demselben Wellenlängenbereich zu emittieren. Alternativ können die aktiven Zonen 1a, 1b geeignet sein, Strahlung in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen zu emittieren, so dass der Halbleiterchip insgesamt eine Mischstrahlung emittiert.
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Der gemeinsame zweite Halbleiterbereich 2b weist vorzugsweise eine gute laterale Leitfähigkeit auf. Der zweite Halbleiterbereich 2b ist in Verbindung mit der 1B näher dargestellt.
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Ist der zweite Halbleiterbereich 2b ein n-Typ, so befindet sich angrenzend an die zweite aktive Zone des Halbleiterchips eine n-dotierte-(Si, Ge)-Schicht 3a. Auf der von der zweiten aktiven Zone abgewandten Seite dieser Schicht 3a grenzt eine Übergitterstruktur 3b aus AlGaN/GaN- oder InGaN/GaN-Schichten an, die bevorzugt Si-dotiert sind. Diese Übergitterstruktur 3b ist vorzugsweise dünner als ein konventioneller Tunnelübergang. An die Übergitterstruktur 3b grenzt eine weitere n-dotierte Schicht 3c an, die ein zur Mitte hin ansteigendes Dotierprofil aufweist. Das bedeutet, dass mittig dieser Schicht 3c eine hohe Dotierung ausgebildet ist, die zu den Rändern der Schicht 3c hin abnimmt. Die Schicht 3c ist vorzugsweise cirka 100 nm dick.
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An die Schicht 3c grenzt eine AlGaN- oder InGaN-Schicht 4 an. Anschließend an diese Schicht 4 ist eine Schicht 3d angeordnet, die ein zweidimensionales Trägergas enthält, und von einer weiteren AlGaN- oder InGaN-Schicht 4 zur anderen Seite hin abgegrenzt wird.
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Im Falle, dass der zweite Halbleiterbereich 2b ein p-Typ ist, findet als Dotierung analog Mg anstelle von Si beziehungsweise Ge Verwendung. Im Übrigen stimmt die Schichtenabfolge mit der oben erläuterten Schichtenfolge überein.
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In den 3A und 3B sind mögliche elektrische Kontaktierungen für einen Halbleiterchip gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1A gezeigt. Bevorzugt wird die elektrische Kontaktierung der einzelnen Halbleiterbereiche des Halbleiterchips über Durchkontaktierungen erzeugt. Derartige alternative Durchkontaktierungsmöglichkeiten zeigen die 3A, 3B.
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Der zweite Halbleiterbereich 2b des Ausführungsbeispiels der 3A wird mittels zweier ersten Durchkontaktierungen 10a kontaktiert, die sich von einer von der ersten aktiven Zone 1a abgewandten Oberfläche des ersten Halbleiterbereichs 2a bis in den zweiten Halbleiterbereich 2b erstrecken. Die ersten Durchbrüche 10a sind dabei voneinander beabstandet, so dass eine möglichst optimale laterale Stromaufweitung erzielt werden kann. In den ersten Durchbrüchen 10a ist eine erste elektrische Kontaktschicht 5 angeordnet, die von dem ersten Halbleiterbereich 2a und der ersten aktiven Zone 1a elektrisch isoliert angeordnet ist und den zweiten Halbleiterbereich 2b elektrisch kontaktiert. Zur elektrisch isolierten Anordnung findet beispielsweise eine elektrisch isolierende Schicht Verwendung, die die ersten Durchbrüche 10a ummantelt und die erste Kontaktschicht 5 von anderen Schichten elektrisch isoliert. Die erste elektrische Kontaktschicht 5 füllt dabei vorzugsweise die ersten Durchbrüche 10a vollständig aus. Zudem bedeckt die erste Kontaktschicht 5 vorzugsweise den ersten Halbleiterbereich 2a zum größten Teil, so dass das Material der ersten Kontaktschicht 5 des einen ersten Durchbruchs 10a mit dem des zweiten ersten Durchbruchs 10a verbunden ist.
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Der dritte Halbleiterbereich 2c ist vorzugsweise mittels zweiter Durchbrüche 10b elektrisch kontaktiert, die sich von der ersten aktiven Zone 1a abgewandten Oberfläche des ersten Halbleiterbereichs 2a bis in den dritten Halbleiterbereich 2a hinein erstrecken. Die zweiten Durchbrüche 10b reichen demnach fast komplett durch den Schichtenstapel des Halbleiterchips hindurch. In den zweiten Durchbrüchen 10b ist vorzugsweise eine zweite elektrische Kontaktschicht 6 angeordnet, die von dem zweiten Halbleiterbereich 2b, der zweiten aktiven Zone 1b und der ersten aktiven Zone 1a elektrisch isoliert ist und den dritten Halbleiterbereich 2c elektrisch kontaktiert. Zur elektrischen Kontaktierung des ersten Halbleiterbereichs 2a ist die zweite Kontaktschicht 6 zudem bevorzugt ganzflächig auf Seiten des ersten Halbleiterbereichs 2a angeordnet. Zwischen dem ersten Halbleiterbereich 2a und der zweiten Kontaktschicht 6 ist vorzugsweise eine Stromaufweitungsschicht 7b und/oder ein dielektrischer Spiegel angeordnet, durch die die ersten und zweiten Durchbrüche 10a, 10b geführt sind.
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Ist der zweite Halbleiterbereich 2b ein n-Typbereich, dann ist die erste Kontaktschicht 5 eine n-Kontaktschicht, und die zweite Kontaktschicht 6 eine p-Kontaktschicht oder umgekehrt.
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In 3B ist eine alternative Ausgestaltung der elektrischen Kontaktierung des Halbleiterchips gezeigt. Im Unterschied zu dem in 3A dargestellten Ausführungsbeispiel ist dabei die elektrische Kontaktierung des ersten Halbleiterbereichs 2a und des dritten Halbleiterbereichs 2c getrennt ausgebildet. Es gibt in diesem Fall lediglich einen zweiten Durchbruch 10b, der durch die Halbleiterbereiche 2a, 2b, 2c und aktiven Zonen 1a, 1b führt. Die zweite Kontaktschicht 6 ist dabei nicht ganzflächig über dem ersten Halbleiterbereich 2a ausgebildet, sondern deckt lediglich einen Teilbereich ab. Mittels einer elektrisch isolierenden Schicht 7a elektrisch isoliert von dieser zweiten Kontaktschicht 6 ist eine dritte Kontaktschicht 8 angeordnet, die den ersten Halbleiterbereich 2a elektrisch kontaktiert. Hierzu ist die dritte Kontaktschicht 8 direkt auf dem ersten Halbleiterbereich 2a angeordnet und mit diesem elektrisch verbunden. Durchbrüche zur Kontaktierung des ersten Halbleiterbereichs 2a finden dabei demnach keine Anwendung.
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Das Prinzip der gemeinsamen elektrischen Kontaktierung des ersten und dritten Halbleiterbereichs, wie es in dem Ausführungsbeispiel der 3A gezeigt ist, findet in den Ausführungsbeispielen der 4A und 5A Verwendung. Das Prinzip der getrennten elektrischen Kontaktierung des ersten und dritten Halbleiterbereichs gemäß dem Ausführungsbeispiel der 3B findet in den 4B und 5B Verwendung.
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Der Halbleiterchip gemäß dem Ausführungsbeispiel der 4A weist wiederum den in 1A dargestellten Schichtenstapel auf. Der Schichtenstapel ist dabei auf einem bevorzugt elektrisch leitfähigen Träger 9 angeordnet. Dabei ist der erste Halbleiterbereich 2a am Träger 9 angeordnet, sodass der dritte Halbleiterbereich 2c vom Träger abgewandt angeordnet ist. Die elektrische Kontaktierung erfolgt von Seiten des Trägers 9, also insbesondere zwischen Schichtenstapel und Träger 9. Zur elektrischen Kontaktierung finden wiederum erste Durchbrüche 10a und zweite Durchbrüche 10b Verwendung.
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Der Schichtenstapel weist auf der dem Träger 9 gegenüberliegenden Seite eine Aufrauung 20 und/oder Strahlungsauskoppelstrukturen auf, die bevorzugt die Auskoppeleffizienz erhöhen. Die in den aktiven Zonen 1a, 1b erzeugten Strahlungen werden demnach auf Seiten des dritten Halbleiterbereichs 2c aus dem Halbleiterchip ausgekoppelt.
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Auf dem Träger 9 ist eine erste Kontaktschicht 5 angeordnet, die sich in die ersten Durchbrüche 10a bis hin zum zweiten Halbleiterbereich 2b erstreckt. Die erste Kontaktschicht 5 ist demnach zur elektrischen Kontaktierung des zweiten Halbleiterbereichs 2b geeignet. Über der ersten Kontaktschicht 5 ist eine zweite Kontaktschicht 6 angeordnet, wobei zwischen erster Kontaktschicht 5 und zweiter Kontaktschicht 6 eine elektrisch isolierende Schicht 7a ausgebildet ist. Die zweite Kontaktschicht 6 erstreckt sich in die zweiten Durchbrüche 10b hinein, so dass die zweite Kontaktschicht 6 zur elektrischen Kontaktierung des dritten Halbleiterbereichs 2c geeignet ist. Zudem steht die zweite elektrische Kontaktschicht 6 über eine Stromaufweitungsschicht 7b in direktem Kontakt mit dem ersten Halbleiterbereich 2a, so dass die zweite Kontaktschicht 6 ebenfalls zur elektrischen Kontaktierung des ersten Halbleiterbereichs 2a geeignet ist. Die elektrischen Kontaktschichten untereinander sowie zu den weiteren Schichten des Schichtenstapels sind jeweils elektrisch isoliert ausgebildet.
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Die elektrische Kontaktierung der zweiten Kontaktschicht 6 erfolgt vorzugsweise mittels eines Bonddrahtes 6a und eines Anschlussbereichs, an dem der Bonddraht 6a an der zweiten Kontaktschicht 6 elektrisch angeschlossen ist. Der elektrische Anschluss der ersten Kontaktschicht 5 erfolgt vorzugsweise über den Träger 9, der in diesem Fall elektrisch leitfähig ausgebildet ist.
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Das Ausführungsbeispiel der 4B unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 4A dadurch, dass der erste Halbleiterbereich 2a und der dritte Halbleiterbereich 2c getrennt voneinander elektrisch kontaktiert sind. Der dritte Halbleiterbereich 2c wird wiederum über die zweiten Durchbrüche 10b und die zweite Kontaktschicht 6 elektrisch kontaktiert. Die zweite Kontaktschicht 6 ist wiederum mittels eines Bonddrahtes 6a extern elektrisch anschließbar. Der zweite Halbleiterbereich 2b ist wie in dem Ausführungsbeispiel der 4A über die erste Kontaktschicht 5 und über den elektrisch leitfähigen Träger 9 extern elektrisch anschließbar. Der erste Halbleiterbereich 2a wird über eine dritte Kontaktschicht 8 und einem zweiten Bonddraht 6b elektrisch kontaktiert. Zwischen den einzelnen Kontaktschichten 5, 6, 8 sowie den einzelnen Halbleiterschichten unterschiedlichen Typs finden wiederum elektrisch isolierende Schichten Verwendung.
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Das Ausführungsbeispiel der 5A unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 4A dadurch, dass lediglich erste Durchbrüche 10a mit einer ersten elektrischen Kontaktschicht 5 Verwendung finden, die den zweiten Halbleiterbereich 2b elektrisch kontaktieren. Zweite Durchbrüche sind in dem Halbleiterchip nicht integriert.
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Der erste Halbleiterbereich 2a wird mit einer zweiten Kontaktschicht 6 und einem Bonddraht 6a elektrisch kontaktiert. Der dritte Halbleiterbereich 2c wird über eine für die in den aktiven Zonen 1a, 1b erzeugte Strahlung transparente Kontaktschicht 8 elektrisch kontaktiert, die auf der von dem Träger 9 abgewandten Seite des dritten Halbleiterbereichs 2c ganzflächig angeordnet und über Seitenflächen des Halbleiterchips zur zweiten elektrischen Kontaktschicht 6 geführt ist. An den Seitenflächen ist dabei die dritte elektrische Kontaktschicht 8 von den Schichten des Schichtenstapels beispielsweise mittels einer elektrisch isolierenden Schicht elektrisch isoliert.
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Im Übrigen stimmt das Ausführungsbeispiel der 5A mit dem Ausführungsbeispiel der 4A im Wesentlichen überein.
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Das Ausführungsbeispiel der 5B unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 5A dadurch, dass der erste Halbleiterbereich 2a und der dritte Halbleiterbereich 2c getrennt voneinander elektrisch kontaktiert sind. Hierzu ist die dritte Kontaktschicht 8 elektrisch isoliert von der ersten Kontaktschicht 5 angeordnet. Die Isolierung erfolgt wiederum beispielsweise mittels einer elektrisch isolierenden Schicht 7a. Die dritte Kontaktschicht 8 und die erste Kontaktschicht 5 sind jeweils getrennt voneinander mittels jeweils eines Bonddrahts 6a, 6b elektrisch anschließbar.
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Im Übrigen stimmt das Ausführungsbeispiel der 5B im Wesentlichen mit dem Ausführungsbeispiel der 5A überein.
