DE102012102148A1

DE102012102148A1 - Optoelektronischer Halbleiterchip und Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips

Info

Publication number: DE102012102148A1
Application number: DE102012102148A
Authority: DE
Inventors: Andreas Weimar; Joachim Hertkorn; Karl Engl
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2012-03-14
Filing date: 2012-03-14
Publication date: 2013-09-19
Also published as: WO2013135526A1

Abstract

In mindestens einer Ausführungsform umfasst der optoelektronische Halbleiterchip (1) einen Träger (2) sowie einen Bragg-Spiegel (3) mit mindestens einer ersten Teilschicht (31) und mit mindestens einer zweiten Teilschicht (32). Eine auf Galliumnitrid basierende, funktionale Halbleiterschichtenfolge (6) ist auf dem Bragg-Spiegel (3) aufgebracht und beinhaltet mindestens eine aktive Schicht (60) zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung. Der Bragg-Spiegel (3) ist auf dem Träger (2) aufgebracht. Die ersten Teilschichten (31) des Bragg-Spiegels (3) umfassen ein Metallnitrid oder ein III-Nitrid oder bestehen hieraus.

Description

Es wird ein optoelektronischer Halbleiterchip angegeben. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips angegeben.
In der Druckschrift US 2009/0142870 A1 ist ein optoelektronischer Halbleiterchip angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen optoelektronischen Halbleiterchip mit einer hohen Lichtauskoppeleffizienz anzugeben.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch einen optoelektronischen Halbleiterchip und durch ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet der optoelektronische Halbleiterchip einen Träger. Bei dem Träger handelt es sich um die den Halbleiterchip mechanisch stützende und mechanisch tragende, bevorzugt starre Komponente. Beispielsweise handelt es sich bei dem Träger um ein Silizium-Substrat.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterchip mindestens einen oder genau einen Bragg-Spiegel, englisch auch als Distributed Bragg Reflector oder kurz DBR bezeichnet. Der Bragg-Spiegel umfasst eine oder mehrere erste Teilschichten und eine oder mehrere zweite Teilschichten. Die ersten und zweiten Teilschichten folgen abwechselnd aufeinander und sind aus Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindices für eine von dem Halbleiterchip im Betrieb emittierte Strahlung geformt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet der Halbleiterchip eine funktionale Halbleiterschichtenfolge. Die Halbleiterschichtenfolge umfasst eine oder mehrere aktive Schichten zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung. Die aktive Schicht umfasst einen oder mehrere pn-Übergänge oder einen oder aus mehrere Quantentopfstrukturen. Insbesondere ist die aktive Schicht zur Erzeugung einer sichtbaren oder ultravioletten Strahlung eingerichtet. Eine Wellenlänge der erzeugten Strahlung liegt bevorzugt zwischen einschließlich 430 nm und 560 nm. Funktionale Halbleiterschichtenfolge bedeutet insbesondere, dass die Halbleiterschichtenfolge die zur Strahlungserzeugung vorgesehene Komponente des Halbleiterchips ist und primär nur diese Funktion ausübt.
Bei einem Halbleitermaterial der Halbleiterschichtenfolge handelt es sich bevorzugt um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mN mit 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also Al, Ga, In sowie N, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform gilt: 0 ≤ n ≤ 0,2 und/oder 0,35 ≤ m ≤ 0,95 und/oder 0 < 1-n m ≤ 0,5. Die genannten Wertebereiche für n und m gelten bevorzugt für alle Teilschichten der Halbleiterschichtenfolge, wobei Dotierstoffe nicht erfasst sind. Es ist jedoch möglich, dass die Halbleiterschichtenfolge eine oder mehrere Zwischenschichten aufweist, für die von den genannten Werte für n, m abgewichen ist und statt dessen gilt, dass 0,75 ≤ n ≤ 1 oder 0,80 ≤ n ≤ 1. Eine Dicke dieser Zwischenschichten ist bevorzugt kleiner oder gleich 20 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Bragg-Spiegel auf dem Träger aufgebracht und aufgewachsen. Dies kann bedeuten, dass der Bragg-Spiegel in unmittelbarem Kontakt zu dem Träger steht. Dass der Bragg-Spiegel auf dem Träger aufgewachsen ist, ist zum Beispiel mittels Transmissionselektronenmikroskopie, kurz TEM, nachweisbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Halbleiterschichtenfolge insbesondere unmittelbar auf dem Bragg-Spiegel aufgewachsen. Der Bragg-Spiegel stellt dann eine Wachstumsgrundlage für die Halbleiterschichtenfolge dar. Ein Nachweis dafür, dass die Halbleiterschichtenfolge auf dem Bragg-Spiegel aufgewachsen ist, kann mittels TEM erfolgen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Halbleiterschichtenfolge auf einer dem Träger gegenüberliegenden Seite des Bragg-Spiegel aufgebracht und aufgewachsen. Der Bragg-Spiegel kann dann als Wärmespreitzer dienen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die ersten Teilschichten des Bragg-Spiegels aus einem Metallnitrid oder III-Nitrid gebildet oder weisen ein solches Material auf. III-Nitrid bedeutet, dass ein Nitrid eines Elements aus der dritten Hauptgruppe des Periodensystems der chemischen Elemente vorliegt.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst der optoelektronische Halbleiterchip einen Träger sowie einen Bragg-Spiegel mit mindestens einer ersten Teilschicht und mit mindestens einer zweiten Teilschicht. Eine auf Galliumnitrid basierende, funktionale Halbleiterschichtenfolge ist auf dem Bragg-Spiegel oder auf den Träger aufgebracht und beinhaltet mindestens eine aktive Schicht zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung. Der Bragg-Spiegel ist auf dem Träger abgebracht. Die ersten Teilschichten des Bragg-Spiegels umfassen ein Metallnitrid oder ein III-Nitrid oder bestehen hieraus.
Durch die Verwendung eines solchen Bragg-Spiegels können beispielsweise Silizium-Substrate als Träger verwendbar sein. Der Bragg-Spiegel kann also als eine Art Pufferschicht für das Aufwachsen der auf Galliumnitrid basierenden Halbleiterschichtenfolge fungieren. Ferner ist durch den Bragg-Spiegel ein Verbleiben eines im sichtbaren Spektralbereich strahlungsabsorbierenden Trägers an dem fertigen Halbleiterchip ermöglicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die ersten Teilschichten aus Aluminiumnitrid gebildet. Die ersten Teilschichten weisen dann einen vergleichsweise hohen Brechungsindex im Bereich von ungefähr 2,0 bis 2,4 für Strahlung im ultravioletten und sichtbaren Spektralbereich auf. Dass die ersten Teilschichten aus Aluminiumnitrid geformt sind schließt nicht aus, dass die ersten Teilschichten weitere Stoffe, insbesondere in Form von Dotierungen, aufweisen können. Die wesentlichen Bestandteile der ersten Teilschichten sind dann jedoch Aluminium und Stickstoff. Beispielsweise machen alle anderen Stoffe an den ersten Teilschichten einen Anteil von insgesamt höchstens 10 Atom-% oder höchstens 2 Atom-% oder von höchstens 1 Atom-% aus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterchips weist die dem Träger nächstgelegene erste Teilschicht des Bragg-Spiegels, die bevorzugt unmittelbar auf einer Trägeroberseite des Trägers aufgebracht oder aufgewachsen ist, einen mehrlagigen Aufbau auf. Zum Beispiel ist eine erste, dem Träger nächstgelegene Lage durch eine dünne Aluminiumschicht gebildet. Eine Dicke dieser Aluminiumschicht liegt beispielsweise bei einer, zwei oder drei atomaren Monolagen. Bevorzugt ist diese Aluminiumschicht frei oder im Wesentlichen frei von Stickstoff. Es gerät dann der Träger an der Trägeroberseite nicht direkt mit Stickstoff in Kontakt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist diese erste Teilschicht des Bragg-Spiegels eine zweite Lage aus AlN auf. Insbesondere ist diese zweite Lage langsamer abgeschieden als eine darauffolgende dritte Lage aus AlN. Die zweite und die dritte Lage folgen bevorzugt unmittelbar aufeinander und folgen insbesondere auch unmittelbar auf die erste Lage. Insbesondere besteht diese erste Teilschicht des Bragg-Spiegels aus den drei genannten Lagen. Diese erste Teilschicht des Bragg-Spiegels kann mittels Epitaxie oder Sputtern erzeugt werden, alle weiteren Teilschichten des Bragg-Spiegels sind dann bevorzugt mit Sputtern erzeugt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist den ersten Teilschichten oder nur der dem Träger nächstgelegenen Teilschicht Sauerstoff beigegeben. Ein Gewichtsanteil des Sauerstoffs liegt bevorzugt bei mindestens 0,1 % oder bei mindestens 0,2 % oder bei mindestens 0,5 %. Ferner beträgt ein Gewichtsanteil des Sauerstoffs bevorzugt höchstens 10 % oder höchstens 5 % oder höchstens 1,5 %. Das Einbringen von Sauerstoff in eine AlN-Schicht ist auch in der Druckschrift DE 100 34 263 B4 angegeben, deren Offenbarungsgehalt durch Rückbezug aufgenommen wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird ein Sauerstoffanteil in der ersten Teilschicht in eine Richtung weg von dem Träger monoton oder streng monoton verkleinert. Insbesondere liegt in einer dünnen Schicht mit einer Dicke zwischen einschließlich 10 nm und 30 nm unmittelbar am Träger eine höchste Sauerstoffkonzentration vor. In Richtung weg von dem Träger kann der Sauerstoffgehalt stufenförmig oder linear abnehmen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist diese erste Teilschicht eine Dicke von mindestens 10 nm oder von mindestens 30 nm oder von mindestens 50 nm auf. Alternativ oder zusätzlich beträgt die Dicke höchstens 1000 nm oder höchstens 200 nm oder höchstens 150 nm. Insbesondere liegt die Dicke bei zirka 100 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterchips ist die dem Träger nächstgelegene erste Teilschicht des Bragg-Spiegels mit einer Dicke erzeugt, die von den Dicken mindestens zwei weiterer ersten Teilschichten abweicht, wobei die weiteren ersten Teilschichten bevorzugt alle dieselbe Dicke aufweisen, im Rahmen der Herstellungstoleranzen. Die Dicken weisen eine Abweichung voneinander von beispielsweise mindestens 10 % oder mindestens 25 % auf. Alternativ oder zusätzlich weichen die Dicken um höchstens 75 % oder um höchstens 50 % voneinander ab.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die dem Träger nächstgelegene erste Teilschicht des Bragg-Spiegels dieselbe Dicke auf wie die weiteren ersten Teilschichten des Bragg-Spiegels, insbesondere mit einer Toleranz von höchstens 10 % oder von höchstens 5 %.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterchips umfasst dieser einen Wärmespreitzer. Der Wärmespreitzer befindet sich an einer der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Unterseite des Trägers. Bevorzugt umfasst der Wärmespreitzer ein Metallnitrid und/oder ein III-Nitrid oder besteht hieraus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der Wärmespreitzer und die ersten Teilschichten des Bragg-Spiegels aus demselben Material geformt, wobei unterschiedliche Dotierungen vorliegen können. Insbesondere bestehen sowohl der Wärmespreitzer als auch die ersten Teilschichten aus AlN.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen der Wärmespreitzer und die Halbleiterschichtenfolge oder der Wärmespreitzer und die Halbleiterschichtenfolge zusammen mit dem Bragg-Spiegel gleiche Dicken auf. Die Dicken sind insbesondere gleich mit einer Toleranz von höchstens einem Faktor 2 oder von höchstens einem Faktor 1,5.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet der Halbleiterchip eine Maskierungsschicht. Die Maskierungsschicht umfasst oder besteht bevorzugt aus einem Nitrid oder Oxid. Beispielsweise besteht oder umfasst die Maskierungsschicht eines der folgenden Materialien: Ein Siliziumnitrid, ein Siliziumoxid, ein Siliziumoxinitrid, ein Bornitrid, ein Magnesiumoxid. Eine Dicke der Maskierungsschicht beträgt bevorzugt höchstens 2 nm oder höchstens 1 nm oder höchstens 0,5 nm. Insbesondere ist die Maskierungsschicht mit einer Dicke gefertigt, die im Mittel eine oder zwei Monolagen beträgt. Bei solch dünnen Maskierungsschichten kann es sich um so genannte in-situ-Maskierungen handeln. Die Maskierungsschicht kann durch Sputtern oder durch MOVPE, metallorganische Gasphasenepitaxie, erzeugt sein. Insbesondere im Falle einer aufgesputterten SiO₂-Maskierungsschicht kann diese aber auch eine deutlich größere Dicke aufweisen, zum Beispiel zwischen einschließlich 100 nm und 400 nm. Eine solche, vergleichsweise dicke Maskierungsschicht wird bevorzugt photolithographisch strukturiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die Maskierungsschicht zwischen dem Bragg-Spiegel und der Halbleiterschichtenfolge. Die Maskierungsschicht kann sich hierbei in unmittelbarem Kontakt zu dem Bragg-Spiegel und/oder zu der Halbleiterschichtenfolge befinden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Maskierungsschicht mit einem Bedeckungsgrad von mindestens 20 % oder von mindestens 50 % oder von mindestens 55 % auf den Bragg-Spiegel aufgebracht. Bevorzugt beträgt der Bedeckungsgrad höchstens 90 % oder höchstens 80 % oder höchstens 70 %. Mit anderen Worten ist dann der Träger, in Draufsicht gesehen, zu den genannten Anteilen von einem Material der Maskierungsschicht überdeckt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterchip eine Koaleszenzschicht. Die Koaleszenzschicht kann ein Teil der funktionalen Halbleiterschichtenfolge sein oder außerhalb der funktionalen Halbleiterschichtenfolge liegen. Bevorzugt ist die Koaleszenzschicht aus dotiertem oder aus undotiertem GaN geformt. Eine Dicke der Koaleszenzschicht beträgt insbesondere mindestens 300 nm oder mindestens 400 nm und alternativ oder zusätzlich höchstens 3 µm oder höchstens 1,2 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform geht die Koaleszenzschicht von Öffnungen in der Maskierungsschicht aus. Die Koaleszenzschicht berührt also bevorzugt eine der Halbleiterschichtenfolge nächstgelegene Schicht des Bragg-Spiegels. Bei der der Halbleiterschichtenfolge nächstgelegene Schicht des Bragg-Spiegels handelt es sich bevorzugt um eine der ersten Teilschichten. In Richtung weg von dem Träger bildet die Koaleszenzschicht eine zusammenhängende Schicht aus. Durch die Kombination der Maskierungsschicht mit der Koaleszenzschicht ist ein defektreduziertes Wachsen der Halbleiterschichtenfolge möglich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist auf der Koaleszenzschicht, insbesondere in unmittelbarem Kontakt, eine Zwischenschicht aufgewachsen. Die Zwischenschicht ist bevorzugt eine AlGaN-Schicht mit einem Aluminiumgehalt zwischen einschließlich 75 % und 100 %. Eine Dicke der Zwischenschicht liegt bevorzugt zwischen einschließlich 5 nm und 50 nm, insbesondere zwischen einschließlich 10 nm und 20 nm. Es kann die Zwischenschicht dotiert sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind mehrere Zwischenschicht vorhanden, wobei die Zwischenschichten jeweils im Rahmen der Herstellungstoleranzen gleich ausgebildet sein können. Zwischen zwei benachbarten Zwischenschichten befindet sich bevorzugt je eine GaN-Schicht, die dotiert oder undotiert sein kann. Die GaN-Schicht steht ferner bevorzugt in unmittelbarem Kontakt zu den zwei benachbarten Zwischenschichten. Eine Dicke der GaN-Schicht liegt dann bevorzugt bei mindestens 20 nm oder bei mindestens 50 nm oder bei mindestens 500 nm und kann alternativ oder zusätzlich höchstens 1000 nm oder höchstens 2000 nm oder höchstens 3000 nm betragen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Bragg-Spiegel mindestens zwei oder mindestens drei oder mindestens fünf der ersten sowie der zweiten Teilschichten. Alternativ oder zusätzlich beinhaltet der Bragg-Spiegel höchstens 20 oder höchstens 10 oder höchstens 5 der ersten sowie der zweiten Teilschichten. Bevorzugt weist der Bragg-Spiegel eine um eins erhöhte Anzahl der ersten Teilschichten auf, bezogen auf die Anzahl der zweiten Teilschichten. Insbesondere ist der Bragg-Spiegel sowohl an der dem Träger zugewandten als auch an der der Halbleiterschichtenfolge zugewandten Seite von jeweils einer der ersten Teilschicht begrenzt.
Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips angegeben. Insbesondere wird ein Halbleiterchip hergestellt, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen angegeben. Merkmale des Verfahrens sind daher auch für den optoelektronischen Halbleiterchip offenbart und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Verfahren mindestens oder ausschließlich die folgenden Schritte:

– Bereitstellen des Trägers,
– Aufbringen des Bragg-Spiegels auf der Trägeroberseite,
– Aufbringen der Halbleiterschichtenfolge auf einer dem Träger abgewandten Spiegeloberseite mittels Gasphasenepitaxie.

Der Träger verbleibt hierbei im fertigen Halbleiterchip an dem Bragg-Spiegel und der Bragg-Spiegel verbleibt an der Halbleiterschichtenfolge.
In mindestens einer Ausführungsform des Verfahrens wird mindestens die dem Träger nächstgelegene erste Teilschicht des Bragg-Spiegels, die sich besonders bevorzugt unmittelbar auf der Trägeroberseite befindet, durch Sputtern erzeugt.
Im Gegensatz zu MOVPE können mittels Sputtern vergleichsweise kostengünstig und mit hohen Wachstumsgeschwindigkeiten dicke Schichten erzeugt werden. So können innerhalb weniger Minuten beispielsweise bis zu 1 μm dicke Schichten etwa aus AlN abgeschieden werden.
Ferner kann die Anlage, in der das Sputtern durchgeführt wird, frei von Gallium sein. Gallium liegt in einer Epitaxieanlage für MOVPE typischerweise als Verunreinigung vor, da speziell für im blauen Spektralbereich emittierende Leuchtdioden galliumhaltige Schichten benötigt werden. Durch Verunreinigungen von Gallium kann in Verbindung mit Siliziumsubstraten allerdings so genannter Meltback entstehen. Meltback bezeichnet eine bräunliche, relativ weiche Verbindung aus Gallium und Silizium. Durch das Gallium wird Silizium aus dem Aufwachssubstrat ausgelöst und es resultieren ein Aufblühungen und Löcher an einer zum Aufwachsen vorgesehenen Oberfläche des Siliziumsubstrats. Dies kann zu schlechteren Wachstumsergebnissen führen.
Außerdem ist es möglich, durch das Sputtern die Verwendung von Aluminium in dem MOVPE-Prozess zur Erzeugung der Halbleiterschichtenfolge zu reduzieren. Als Substrathalter werden aufgrund der hohen Temperaturen im MOVPE-Prozess typisch Graphithalter eingesetzt. Der Graphithalter kann von einer dünnen, weißlichen Schicht mit Aluminium und/oder mit Gallium in der MOVPE belegt werden, wodurch sich ein thermisches Abstrahlverhalten und ein Aufheizverhalten des Graphithalters verändert. Durch das Erzeugen der ersten Teilschichten mittels Sputtern, außerhalb eines Gasphasenepitaxie-Reaktors, ist die Belegung des Graphithalters mit Aluminium deutlich reduziert und Parameter für den MOVPE-Prozess sind einfacher einstellbar.
Es ist möglich, dass alle Teilschichten des Bragg-Spiegels durch Sputtern erzeugt werden. Alternativ können einige der Teilschichten durch Gasphasenepitaxie hergestellt werden. Es kann auch die Maskierungsschicht durch Sputtern erzeugt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens liegt bei dem Sputtern eine Temperatur zwischen einschließlich 550 °C und 900 °C vor. Ein Druck beim Sputtern liegt ferner insbesondere zwischen einschließlich 10^–3 mbar und einmal 10^–2 mbar. Es beträgt eine Aufwachsrate beim Sputtern bevorzugt mindestens 0,03 nm/s und/oder höchstens 0,5 nm/s. Das Sputtern wird bevorzugt unter einer Atmosphäre mit Argon und Stickstoff durchgeführt. Ein Verhältnis Argon zu Stickstoff liegt bevorzugt bei 1:2, mit einer Toleranz von höchstens 15 % oder von höchstens 10 %.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist das Sputtern ein sogenanntes pulsed sputtern. Zum Beispiel sind dann mehrere Quellen vorhanden, unter denen sich das Aufwachssubstrat dreht. Zum Beispiel werden Al und N dann abwechselnd und zeitlich nacheinander an einer bestimmten Stelle des Aufwachssubstrats aufgebracht. Ein Frequenz, mit der das Aufwachssubstrat gedreht wird, liegt beispielsweise in der Größenordnung von 1 Hz.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Bragg-Spiegel und gegebenenfalls der Wärmespreitzer in einer Sputter-Depositionsanlage erzeugt und die Halbleiterschichtenfolge wird in einem davon verschiedenen Gasphasenepitaxiereaktor gewachsen. Besonders bevorzugt ist die Sputter-Depositionsanlage frei von Gallium und/oder frei von Graphit.
Nachfolgend wird ein hier beschriebener optoelektronischer Halbleiterchip unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:
1 bis 5 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchips.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips 1 illustriert. Der Halbleiterchip 1 umfasst einen Träger 2 mit einer Trägeroberseite 21 und einer dieser gegenüberliegenden Trägerunterseite 28. Bei dem Träger 2 handelt es sich bevorzugt um ein Aufwachssubstrat, auf dem eine Halbleiterschichtenfolge 6 mit mindestens einer aktiven Schicht 60 erzeugt wird. Insbesondere stellt der Träger 2 ein sogenanntes Fremdsubstrat dar, das aus einem anderen Materialsystem gebildet ist als die Halbleiterschichtenfolge 6. Bei dem Träger 2 kann es sich um ein Silizium-Substrat handeln.
Unmittelbar auf der Trägeroberseite 21 ist ein Bragg-Spiegel 3 erzeugt, bevorzugt mittels Sputtern. Der Bragg-Spiegel 3 weist mehrere erste Teilschichten 31 sowie mehrere zweite Teilschichten 32 auf. Die Anzahl der Teilschichten 31, 32 kann von der dargestellten Anzahl abweichen. Bevorzugt wird der Bragg-Spiegel 3 beiderseits von einer der ersten Teilschichten 31 begrenzt. Alle erste Teilschichten 31 und alle zweiten Teilschichten 32 sind bevorzugt jeweils aus demselben Material gefertigt.
Die ersten Teilschichten 31 sind insbesondere aus AlN gebildet. Die zweiten Teilschichten 32 sind aus einem Material mit einem kleineren Brechungsindex geformt, etwa aus einem Siliziumoxid oder einem Siliziumnitrid. Die Teilschichten 31, 32 weisen jeweils eine optische Dicke auf, die einem Viertel einer Hauptwellenlänge, englisch Peak wavelength, der in der Halbleiterschichtenfolge 6 im Betrieb erzeugten Strahlung entspricht.
An einer dem Träger 2 abgewandten Spiegeloberseite 36 des Bragg-Spiegels 3 ist unmittelbar die Halbleiterschichtenfolge 6 erzeugt, insbesondere durch metallorganische Gasphasenabscheidung. Die Halbleiterschichtenfolge 6 basiert auf InAlGaN und umfasst mindestens eine zur Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Schicht 60. Eine dem Träger 2 abgewandte Begrenzungsfläche der Halbleiterschichtenfolge 6 stellt eine Strahlungsaustrittsseite 65 dar. Es ist möglich, dass zur Verbesserung einer Strahlungsauskopplung die Strahlungsaustrittsseite 65 strukturiert ist, beispielsweise mittels einer Aufrauung.
Zur Vereinfachung der Darstellung sind elektrische Kontakte, elektrische Kontaktschichten oder Stromaufweitungsschichten des Halbleiterchips 1 nicht gezeichnet. Ebenso wenig sind optional vorhandene Mantelschichten, Kontaktschichten, Wellenleiterschichten und/oder Barriereschichten in den Figuren nicht dargestellt.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Halbleiterchips 1 illustriert. Anders als in 1 weist die dem Träger 2 nächstgelegene erste Teilschicht 31 eine von den anderen ersten Teilschichten 31 abweichende Dicke auf. Beispielsweise beträgt die Dicke der dem Träger 2 nächstgelegenen Teilschicht 31 etwa 100 nm und die Dicken der weiteren Teilschichten 31 liegen bei je ungefähr 50 nm. Die dem Träger 2 nächstgelegene erste Teilschicht 31 kann somit eine größere Dicke aufweisen als die anderen ersten Teilschichten 31. Die zweiten Teilschichten 32 weisen beispielsweise eine Dicke von jeweils ungefähr 70 nm auf.
Optional ist an der Strahlungsaustrittsseite 65 der Halbleiterschichtenfolge 6 ein strahlungsdurchlässiges Bauelement 9 angebracht. Ein solches Bauelement 9 kann auch in allen anderen Ausführungsbeispielen vorhanden sein. Bei dem Bauelement 9 handelt es sich zum Beispiel um eine Schutzschicht oder um eine Versiegelungsschicht, um die Halbleiterschichtenfolge 6 vor schädlichen Umwelteinflüssen zu schützen. Ebenso ist es möglich, dass das strahlungsdurchlässige Bauelement 9 durch ein Konversionsmittel zu einer mindestens teilweisen Wellenlängenumwandlung von in der aktiven Schicht 60 erzeugter Strahlung ist. Weiterhin kann es sich bei dem Bauelement 9 um ein optisches Element wie eine Sammellinse oder ein Mikrolinsenarray handeln. Zwischen dem Bauelement 9 und der Halbleiterschichtenfolge 6 kann sich ein nicht gezeichnetes Verbindungsmittel, beispielsweise eine Klebeschicht, befinden.
Ferner ist optional an der der Halbleiterschichtenfolge 6 abgewandten Unterseite 28 des Trägers 2 ein Wärmespreitzer 8 angebracht. Der Wärmespreitzer 8 kann auch in allen anderen Ausführungsbeispielen vorhanden sein. Bevorzugt ist der Wärmespreitzer 8 aus demselben Material wie die ersten Teilschichten 31 gebildet. Insbesondere ist der Wärmespreitzer 8 aus AlN geformt und durch Sputtern auf die Trägerunterseite 28 aufgewachsen. Der Wärmespreitzer 8 kann unter denselben Bedingungen gesputtert sein wie die ersten Teilschichten 31 des Bragg-Spiegels 3. Bevorzugt wird der Wärmespreitzer 8 vor dem Bragg-Spiegel 3 und/oder vor der Halbleiterschichtenfolge 6 erzeugt. Eine hiervon abweichende Verfahrensreihenfolge ist aber ebenso möglich.
Eine Dicke des Wärmespreitzers 8 entspricht bevorzugt ungefähr einer Dicke der Halbleiterschichtenfolge 6 oder einer Gesamtdicke aus der Halbleiterschichtenfolge 6 und dem Bragg-Spiegel 3. Die Dicke des Wärmespreitzers 8 ist in den Figuren nicht maßstabsgetreu dargestellt.
Es weist der Wärmespreitzer 8 bevorzugt dieselben oder ähnliche thermische Ausdehnungseigenschaft auf wie die Halbleiterschichtenfolge 6 und/oder der Bragg-Spiegel 3. Bei Temperaturänderungen des Halbleiterchips 1, insbesondere nach einem Wachsen der Halbleiterschichtenfolge 6, sind daher Verbiegungen des Trägers 2 und damit einhergehende Belastungen der Halbleiterschichtenfolge 6 vermeidbar oder zumindest reduzierbar.
Beim Erzeugen der Halbleiterschichtenfolge 6 weist der Träger 2 beispielsweise einen mittleren Durchmesser D von ungefähr 100 mm oder von ungefähr 150 mm oder von ungefähr 200 mm auf. Eine mittlere Dicke t des Trägers 2 liegt beispielsweise im Bereich einiger 100 µm. Um eine Kompensation einer Verkrümmung des Trägers 2 durch den Wärmespreitzer 8 zu erleichtern, ist der Träger 2 bevorzugt vergleichsweise dünn gestaltet. Ein Quotient aus dem mittleren Durchmesser D und der mittleren Dicke t des Trägers 2 beträgt bevorzugt mindestens 150 oder mindestens 200. Alternativ oder zusätzlich beträgt dieser Quotient höchstens 450 oder höchstens 300. Bevorzugt ist das Verhältnis aus dem Durchmesser D und der Dicke t auch in allen anderen Ausführungsbeispielen derart gewählt.
Beim Ausführungsbeispiel, wie in 3 gezeigt, ist an der Spiegeloberseite 36 eine Maskierungsschicht 4, beispielsweise aus SiN oder SiO₂, angebracht. Die Maskierungsschicht 4 weist Öffnungen 40 auf. Die Öffnungen 40 in der Maskierungsschicht werden beispielsweise photolithographisch erzeugt, insbesondere falls die Maskierungsschicht 4 aus SiO₂ gefertigt ist. In den Öffnungen 40 wächst eine Koaleszenzschicht 5 an der dem Träger 2 entferntest liegenden ersten Teilschicht 31 an. In Richtung weg von dem Träger 2 wächst die Koaleszenzschicht 5 zu einer zusammenhängenden Schicht zusammen. Die Koaleszenzschicht 5 ist insbesondere aus n-dotiertem GaN oder, bevorzugt, aus undotiertem GaN gebildet.
Die aktive Schicht 60 ist beispielsweise durch eine Mehrzahl von InGaN-basierten Quantentopfstrukturen mit dazwischen liegenden Barriereschichten geformt. An einer dem Träger 2 abgewandten Seite der aktiven Schicht 60 befindet sich eine p-dotierte GaN-Schicht.
Die n-GaN-Schicht und die p-GaN-Schicht können mit elektrischen Kontakten 91, 92 versehen sein. Eine Stromaufweitung an der dem Träger 2 zugewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge 6 erfolgt mit Hilfe der oder durch die n-GaN-Schicht.
Beim Ausführungsbeispiel des Halbleiterchips 1, wie in 4 dargestellt, befindet sich zwischen der Koaleszenzschicht 5 und der Halbleiterschichtenfolge 6 optional eine Zwischenschicht 56. Die Zwischenschicht 56 ist bevorzugt aus AlGaN mit einem Al-Anteil zwischen einschließlich 75 % und 100 % geformt und hat zum Beispiel eine Dicke zwischen einschließlich 15 nm und 20 nm.
Anders als dargestellt ist es möglich, dass mehrere Zwischenschichten vorhanden sind. Zwischen benachbarten Zwischenschichten befinden sich dann bevorzugt jeweils dotierte GaN-Schichten, nicht gezeichnet.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist der Bragg-Spiegel 3 an der der Halbleiterschichtenfolge 6 gegenüberliegenden Trägerunterseite 28 erzeugt und die Halbleiterschichtenfolge 6 an der Trägeroberseite 21. Bei dem Träger 2 handelt es sich bevorzugt um ein Wachstumssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge 6, zum Beispiel um ein Saphir-Substrat, das strahlungsdurchlässig ist. Auch der Bragg-Spiegel 3 ist bevorzugt unmittelbar an dem Träger 2 erzeugt. Der Bragg-Spiegel fungiert dann bevorzugt als Wärmespreitzer 8.
Zwischen dem Träger 2 und der Halbleiterschichtenfolge 6 kann sich optional eine AlN-Schicht, eine AlGaN-Schicht, eine Schicht entsprechend der dem Träger nächstgelegenen ersten Teilschicht des Bragg-Spiegels, eine Maskierungsschicht, eine Koaleszenzschicht und/oder eine Zwischenschicht befinden, wie in Verbindung insbesondere mit den 3 und 4 beschrieben. Diese optionalen Schichten sind in 5 nicht gezeichnet.
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2009/0142870 A1 [0002]
DE 10034263 B4 [0019]

Claims

Optoelektronischer Halbleiterchip (1) mit – einem Träger (2), – einem Bragg-Spiegel (3) mit mindestens einer ersten Teilschicht (31) und mit mindestens einer zweiten Teilschicht (32), und – einer auf Galliumnitrid basierenden, funktionalen Halbleiterschichtenfolge (6) mit mindestens einer aktiven Schicht (60) zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung, wobei – der Bragg-Spiegel (3) auf dem Träger (2) aufgebracht ist, – die Halbleiterschichtenfolge (6) auf dem Bragg-Spiegel (3) oder auf dem Träger (2) aufgebracht ist, und – die ersten Teilschichten (31) ein Metallnitrid und/oder ein III-Nitrid umfassen oder hieraus bestehen.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Träger (2) ein Siliziumsubstrat ist und die ersten Teilschichten (31) Aluminiumnitrid aufweisen oder hieraus bestehen.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die dem Träger (2) nächstgelegene erste Teilschicht (31) unmittelbar auf einer Trägeroberseite (21) aufgebracht ist, wobei dieser ersten Teilschicht (31) Sauerstoff beigegeben ist und ein Gewichtsanteil des Sauerstoffs zwischen einschließlich 0,1 % und 10 % liegt, und wobei der Anteil des Sauerstoffs in dieser ersten Teilschicht (31) in eine Richtung weg von dem Träger (2) monoton abnimmt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die dem Träger (2) nächstgelegene erste Teilschicht (31) unmittelbar auf einer Trägeroberseite (21) aufgebracht ist, wobei eine Dicke dieser ersten Teilschicht (31) von den Dicken von mindestens zweier weiterer ersten Teilschichten (31) abweicht.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die dem Träger (2) nächstgelegene erste Teilschicht (31) unmittelbar auf einer Trägeroberseite (21) aufgebracht ist, wobei diese erste Teilschicht (31) eine Dicke zwischen einschließlich 50 nm und 200 nm aufweist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Wärmespreitzer (8), wobei der Wärmespreitzer (8) sich an einer der Halbleiterschichtenfolge (2) abgewandten Unterseite (28) des Trägers (2) befindet und ein Metallnitrid und/oder ein III-Nitrid umfasst oder hieraus besteht.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Wärmespreitzer (8) und die Halbleiterschichtenfolge (2), mit einer Toleranz von höchstens einem Faktor 2, gleiche Dicken aufweisen.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Wärmespreitzer und die ersten Teilschichten (31) aus demselben Material geformt sind.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine auf SiN oder SiO₂ basierende Maskierungsschicht (4), wobei sich die Maskierungsschicht (4) zwischen dem Bragg-Spiegel (3) und der Halbleiterschichtenfolge (6) befindet, und wobei die Maskierungsschicht (4) den Bragg-Spiegel (4) mit einem Bedeckungsgrad zwischen einschließlich 50 % und 90 % bedeckt, in Draufsicht gesehen.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, ferner umfassend eine Koaleszenzschicht (5) aus dotiertem oder undotiertem GaN mit einer Dicke zwischen einschließlich 300 nm und 1,2 µm, wobei die Koaleszenzschicht (5), ausgehend von Öffnungen (40) in der Maskierungsschicht (4), in Richtung weg von dem Träger (2) eine zusammenhängende Schicht ausbildet.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Bragg-Spiegel (3) zwischen einschließlich 3 und 20 erste sowie zweite Teilschichten (31, 32) aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips (1) nach einem der vorherigen Ansprüche mit den Schritten: – Bereitstellen des Trägers (2), – Aufbringen des Bragg-Spiegels (3) auf der Trägeroberseite (21), – Aufbringen der Halbleiterschichtenfolge (2) auf einer dem Träger (2) abgewandten Spiegeloberseite (36) mittels Epitaxie und/oder Sputtern, wobei – der Träger (2) an dem Bragg-Spiegel (3) und die Halbleiterschichtenfolge (2) an dem Bragg-Spiegel (3) verbleibt, und – mindestens die dem Träger (2) nächstgelegene erste Teilschicht (31) des Bragg-Spiegels (3), die sich unmittelbar auf der Trägeroberseite (21) befindet, durch Sputtern erzeugt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem das Sputtern bei einer Temperatur zwischen einschließlich 550 °C und 900 °C und bei einem Druck zwischen einschließlich 1 × 10^–3 mbar und 1 × 10^–2 mbar durchgeführt wird, wobei eine Aufwachsrate beim Sputtern zwischen einschließlich 0,03 nm/s und 0,5 nm/s eingestellt wird und das Sputtern unter einer Atmosphäre mit Ar und mit N₂ durchgeführt wird und ein Verhältnis Ar zu N₂ bei 1 zu 2 liegt, mit einer Toleranz von höchstens 15 %.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13 zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips (1) mit mindestens den Merkmalen nach Anspruch 6, bei dem ein Quotient aus einem mittleren Durchmesser (D) des Trägers (2) und einer mittleren Dicke (t) des Trägers (2) zwischen einschließlich 150 und 450 liegt, wobei an der Trägerunterseite (28) der Wärmespreitzer (8) durch Sputtern erzeugt wird.