DE102014107385A1

DE102014107385A1 - Optoelektronischer Halbleiterchip und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102014107385A1
Application number: DE102014107385.1A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Schmid; Petrus Sundgren
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2014-05-26
Filing date: 2014-05-26
Publication date: 2015-11-26
Also published as: WO2015181005A1; DE112015002498A5; CN106415855A; US20170162749A1; CN106415855B

Abstract

Es umfasst der Halbleiterchip (1) eine Halbleiterschichtenfolge (2) mit einer n-leitenden Schichtenfolge (21) sowie einer p-leitenden Schichtenfolge (23) und einer dazwischen liegenden aktiven Zone (22) zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung. Ferner befindet sich in der Halbleiterschichtenfolge (2) eine Ätzsignalschicht (24) in oder an der p-leitenden Schichtenfolge (23). Ferner befindet sich eine Ätzstruktur (3) an der Halbleiterschichtenfolge (3) an einer der aktiven Zone (22) abgewandten Seite der Ätzsignalschicht (24). Die Ätzstruktur (3) reicht mindestens bis in die Ätzsignalschicht (24). Die Ätzsignalschicht (24) weist einen Signalbestandteil auf, der in einer in Richtung hin zu der Ätzstruktur (3) an die Ätzsignalschicht (24) angrenzenden Schicht (25) nicht vorhanden oder reduziert ist.

Description

Es wird ein optoelektronischer Halbleiterchip angegeben. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterchips angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen optoelektronischen Halbleiterchip anzugeben, der eine effiziente Lichtauskopplung aufweist.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch einen optoelektronischen Halbleiterchip mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem optoelektronischen Halbleiterchip um eine Leuchtdiode oder um eine Laserdiode. Der Halbleiterchip ist dazu eingerichtet, im Betrieb eine elektromagnetische Strahlung zu emittieren. Beispielsweise wird im Betrieb des Halbleiterchips sichtbares Licht oder nahinfrarote Strahlung erzeugt. Es ist insbesondere möglich, dass der Halbleiterchip zur Erzeugung von gelbem Licht, orangenem Licht und/oder rotem Licht oder zur Erzeugung von nahinfraroter Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 760 nm und 870 nm eingerichtet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der optoelektronische Halbleiterchip mindestens eine Halbleiterschichtenfolge. Insbesondere ist die Halbleiterschichtenfolge epitaktisch gewachsen. Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mN oder um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mP oder auch um ein Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mAs, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also Al, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterschichtenfolge eine n-leitende Schichtenfolge. Die n-leitende Schichtenfolge ist durchgehend oder bereichsweise n-dotiert. Es kann die n-leitende Schichtenfolge eine oder mehrere Teilschichten aufweisen. Der Begriff Schichtenfolge bedeutet daher nicht zwangsläufig, dass mehrere Schichten in der n-leitenden Schichtenfolge vorhanden sein müssen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterchip eine p-leitende Schichtenfolge auf, die eine oder, bevorzugt, mehrere p-leitende Schichten umfasst. Die p-leitende Schichtenfolge ist bevorzugt p-dotiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterchip mindestens eine aktive Zone auf. Die eine oder die mehreren aktiven Zone sind zwischen der n-leitenden Schichtenfolge und der p-leitenden Schichtenfolge angebracht.
Insbesondere steht die aktive Zone in direktem Kontakt mit der n-leitenden Schichtenfolge und mit der p-leitenden Schichtenfolge. Die aktive Zone umfasst beispielsweise einen pn-Übergang, eine Einfachquantentopfstruktur oder eine Mehrfachquantentopfstruktur. Insbesondere beinhaltet die aktive Zone mehrere Quantentöpfe, die durch Barriereschichten voneinander separiert sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet die Halbleiterschichtenfolge eine oder mehrere Ätzsignalschichten. Die mindestens eine Ätzsignalschicht befindet sich in oder an der p-leitenden Schichtenfolge oder in der n-leitenden Schichtenfolge. Sind mehrere Ätzsignalschichten vorhanden, so kann sich jeweils eine Ätzsignalschicht in der p-leitenden Schichtenfolge und eine Ätzsignalschicht in der n-leitenden Schichtenfolge befinden. Auch mehrere Ätzsignalschichten in einer der Schichtenfolgen sind möglich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterchip eine oder mehrere Ätzstrukturen auf. Die mindestens eine Ätzstruktur reicht dabei zumindest in größeren Bereichen oder ganzflächig bis wenigstens in die Ätzsignalschicht. Das bedeutet, durch die Ätzstruktur ist die Ätzsignalschicht wenigstens stellenweise freigelegt und/oder beim Erzeugen der Ätzstruktur ist ein Material der Ätzsignalschicht mindestens teilweise entfernt. Es ist auch möglich, dass die Ätzsignalschicht über größere Bereiche hinweg vollständig beim Erzeugen der Ätzstruktur entfernt ist. Beispielsweise weist die Ätzstruktur im Querschnitt gesehen eine prismatische oder trapezförmige Gestalt auf, wobei sich eine Breite der Ätzstruktur in Richtung hin zu der aktiven Zone bevorzugt verringert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Ätzsignalschicht einen Signalbestandteil auf. Bei dem Signalbestandteil handelt es sich bevorzugt um eine Hauptkomponente eines Halbleitermaterials, auf dem Ätzsignalschicht basiert. Alternativ kann es sich bei dem Signalbestandteil um eine Dotierung der Ätzsignalschicht handeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform grenzt die Ätzsignalschicht, in Richtung hin zu der Ätzstruktur und in Richtung weg von der aktiven Zone, an eine Schicht an, die frei von dem Signalbestandteil ist oder nur wenig von dem Signalbestandteil aufweist. Dies bedeutet insbesondere, dass der Signalbestandteil höchstens in Form einer Verunreinigung vorliegt und/oder dass eine Konzentration des Signalbestandteils in dieser Schicht, im Vergleich zu der Ätzsignalschicht, um mindestens einen Faktor zwei oder fünf oder zehn oder hundert reduziert ist. Mit anderen Worten ist diese Schicht frei von dem Signalbestandteil oder weist wenig von dem Signalbestandteil auf im Vergleich zu der Ätzsignalschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Signalbestandteil an der Ätzsignalschicht einen Atomanteil von mindestens 0,5 % oder 1 % oder 1,75 % auf. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Anteil bei höchstens 20 % oder 10 % oder 5 % oder 3,5 %. Mit anderen Worten macht der Signalbestandteil dann nur einen vergleichsweise geringen Anteil der Ätzsignalschicht aus.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterchip eine Halbleiterschichtenfolge. Die Halbleiterschichtenfolge weist eine n-leitende Schichtenfolge sowie eine p-leitende Schichtenfolge und eine zwischen diesen Schichtenfolgen liegende aktive Zone zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung auf. Ferner befindet sich in der Halbleiterschichtenfolge mindestens eine Ätzsignalschicht in oder an der p-leitenden Schichtenfolge und/oder in oder an der n-leitenden Schichtenfolge. Ferner befindet sich eine Ätzstruktur an der Halbleiterschichtenfolge an einer der aktiven Zone abgewandten Seite der Ätzsignalschicht. Die Ätzstruktur reicht dabei wenigstens stellenweise mindestens bis in die Ätzsignalschicht. Die Ätzsignalschicht weist einen Signalbestandteil auf, der in einer in Richtung hin zu der Ätzstruktur und/oder in Richtung weg von der aktiven Zone an die Ätzsignalschicht angrenzenden Schicht nicht vorhanden ist oder nur in einer reduzierten Konzentration vorliegt.
Insbesondere in Dünnfilm-Leuchtdioden, also in Leuchtdioden ohne Aufwachssubstrat, breitet sich in einer aktiven Zone erzeugtes Licht in einem vergleichsweise dünnen Schichtpaket in der Halbleiterschichtenfolge aus, bis das erzeugte Licht entweder ausgekoppelt oder absorbiert wird. Da wegen des hohen Brechungsindexes von Halbleitermaterialien eine Auskoppelwahrscheinlichkeit pro Auftreffen des Lichts auf eine auskoppelnde Fläche vergleichsweise klein ist, läuft Licht relativ lange in dem Halbleiter, bis eine Auskoppelung erfolgt. Dementsprechend hängt eine Effizienz von Dünnfilm-Leuchtdioden vergleichsweise stark von Absorptionen in oder an der Halbleiterschichtenfolge ab.
Eine Absorption erfolgt dabei etwa durch metallische Kontaktflächen, da solche Kontaktflächen auf einen elektrischen Anschluss hin und nicht auf optische Eigenschaften hin optimiert sind. Solche metallischen Kontaktflächen befinden sich an einer oder an zwei Seiten der Halbleiterschichtenfolge. Um Licht von den elektrischen Kontaktflächen fernzuhalten oder eine Auftreffwahrscheinlichkeit zu reduzieren, wird speziell bei auf InGaAlP oder auf InAlGaAs basierenden Dünnfilm-Leuchtdioden auf einer diesen Kontaktflächen gegenüberliegenden Seite eine Ätzstruktur mit so genannten Mikroprismen geätzt. Durch diese Ätzstruktur wird ein Halbleitermaterial stellenweise entfernt.
Eine solche Ätzstruktur führt auch dazu, dass eine Strom aufweitende Schicht stellenweise fehlt oder stark gedünnt ist, sodass in diesen Bereichen keine oder nur wenige Ladungsträger bis unter die elektrischen Kontaktflächen und von dort in die aktive Zone fließen und dort Licht erzeugen. Mit anderen Worten wird eine Lichterzeugung nahe der metallischen Kontaktflächen vermieden. Außerdem ist das verbleibende Halbleitermaterial der Halbleiterschichtenfolge verjüngt, sodass eine Auftreffwahrscheinlichkeit von Licht auf eine Oberfläche pro zurückgelegter Strecke des Lichts erhöht ist. Hierdurch ist eine Auskoppelwahrscheinlichkeit des Lichts erhöht. Auch wird durch die Ätzstruktur und die damit verbundene mikroprismenartige Struktur eine Auskoppelwahrscheinlichkeit erhöht, da das Licht an der Ätzstruktur reflektiert und/oder gestreut wird. Eine solche Ätzstruktur wird dabei in der Regel durch ein Plasma-Ätzverfahren, insbesondere durch ein Ätzen mit einem induktiv gekoppelten Plasma, englisch inductive coupled plasma oder kurz ICP, erzeugt.
Bei einem solchen Ätzverfahren ist es allerdings vergleichsweise schwierig, die richtige Ätztiefe genau zu treffen. Falls zu tief geätzt wird, wird die aktive Zone gestört, wodurch ein schlechteres Kleinstromverhalten, ein schlechterer Temperaturgang und eine anfängliche positive Alterung hervorgerufen werden können. Eine zu flache Ätzung hingegen führt zu einer schlechteren Lichtauskopplung und damit zu weniger effizienten Bauteilen. Daher ist es wichtig, reproduzierbar die passende Ätztiefe zu erzielen. Erfolgt ein Abbruch des Ätzens auf Zeit, also nach einer vorbestimmten Dauer, erschweren schwankende Ätzraten oder auch Schichtdickenschwankungen in der Halbleiterschichtenfolge aufgrund des epitaktischen Wachsens das präzise Treffen der geeigneten Ätztiefe.
Der hier beschriebene Halbleiterchip weist die Ätzsignalschicht auf. Wird beim Ätzen der Signalbestandteil freigesetzt, so kann dieser Signalbestandteil detektiert werden und das Ätzen der Ätzstruktur wird gestoppt, sobald der Signalbestandteil detektiert wird oder es wird das Ätzen nach einer bestimmten Zeit nach dem Auftauchen oder Verschwinden des Signalbestandteils insbesondere im oder aus einem Ätzplasma gestoppt. Damit ist auf kontrollierbare Weise ein vergleichsweise dünner Bereich zwischen der Ätzstruktur und der aktiven Zone an Halbleitermaterial erreichbar, sodass eine geringe Stromeinprägung in diesen Bereichen in die aktive Zone erfolgt und eine hohe Lichtauskoppeleffizienz erzielt wird. Mit anderen Worten erlaubt die Ätzsignalschicht ein frühzeitiges und exaktes Stoppen des Ätzens beim Erzeugen der Ätzstruktur.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform basiert die aktive Zone auf InAlGaP oder auf InAlGaAs. Die aktive Zone kann dabei eine oder mehrere Schichten aufweisen, die frei sind von einer oder mehreren der Hauptkomponenten des entsprechenden Halbleitermaterials. Mit anderen Worten weist die aktive Zone dann eine variierende Materialzusammensetzung auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die Ätzsignalschicht in der p-leitenden Schichtenfolge. Bevorzugt basiert die Ätzsignalschicht dann auf InAlGaP oder auf InAlGaAs. Alternativ oder zusätzlich kann eine solche Ätzsignalschicht auch in der n-leitenden Schichtenfolge vorhanden sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform basiert die Ätzsignalschicht auf In_1-x-yAl_yGa_xP oder auf In_1-x-yAl_yGa_xAs. Dabei gilt: x + y < 1. Der Signalbestandteil ist dabei Ga, wobei bevorzugt x größer gleich 0,001 oder 0,005 oder 0,01 oder 0,02 ist. Alternativ oder zusätzlich ist x kleiner gleich 0,2 oder 0,15 oder 0,1 oder 0,075. Es kann gelten, dass y größer gleich 0,3 oder 0,35 oder 0,4 ist und/oder dass y kleiner gleich 0,5 oder 0,55 oder 0,6 ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt die Dicke der Ätzsignalschicht bei mindestens 50 nm oder 100 nm oder 150 nm oder 200 nm. Alternativ oder zusätzlich beträgt die Dicke der Ätzsignalschicht höchstens 800 nm oder 600 nm oder 500 nm oder 400 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Konzentration des Signalbestandteils innerhalb der Ätzsignalschicht konstant. Konstant bedeutet insbesondere, dass eine lokal vorliegende Konzentration von einer mittleren Konzentration des Signalbestandteils um höchstens 30 % oder 20 % oder 10 % oder 5 % abweicht. Mit anderen Worten ist dann in die Ätzsignalschicht keine gezielten Konzentrationsschwankung des Signalbestandteils eingebracht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die Ätzsignalschicht unmittelbar an der aktiven Zone, in Richtung hin zu der Ätzstruktur und in Richtung weg von der aktiven Zone. Mit anderen Worten berühren sich dann die aktive Zone und die Ätzsignalschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Ätzsignalschicht von der aktiven Zone beabstandet. Das heißt, die Ätzsignalschicht liegt einerseits zwischen der aktiven Zone und der Ätzstruktur und andererseits befindet sich zwischen der Ätzsignalschicht und der aktiven Zone mindestens eine weitere Schicht der Halbleiterschichtenfolge.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich beiderseits der Ätzsignalschicht je eine weitere Schicht, wobei diese beiden weiteren Schichten bevorzugt im Rahmen der Herstellungstoleranzen eine gleiche Materialzusammensetzung aufweisen. Insbesondere sind diese beiden weiteren Schichten jeweils frei von dem Signalbestandteil oder der Signalbestandteil weist in diesen weiteren Schichten höchstens 50 % oder 20 % oder 10 % oder 1 % oder 1 ‰ oder 10^–4 oder 10^–5 der Konzentration in der Ätzsignalschicht auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich zwischen der Ätzsignalschicht und der aktiven Zone eine Rampenschicht. Bevorzugt ist die Rampenschicht in der p-Schichtenfolge untergebracht. Es kann die Rampenschicht unmittelbar an die aktive Zone angrenzen. Alternativ oder zusätzlich steht die Rampenschicht auch in direktem Kontakt zu der Ätzsignalschicht. Rampenschicht bedeutet, dass sich eine Konzentration zumindest eines Bestandteils der Rampenschicht rampenförmig ändert, entlang einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform basiert die Rampenschicht auf InAlGaP oder auf InAlGaAs. Die Rampenschicht basiert auf In_1-a-bAl_bGa_aP oder auf In_1-a-bAl_bGa_aAs mit a + b < 1. Der In-Gehalt 1-a-b ist in der Rampenschicht bevorzugt konstant, im Rahmen der Herstellungstoleranzen.
Hierbei gilt bevorzugt an einer der aktiven Zone nächstgelegenen Seite der Rampenschicht: 0,10 ≤ a oder 0,15 ≤ a oder 0,2 ≤ a und/oder a ≤ 0,3 oder a ≤ 0,35 oder a ≤ 0,4. Dieselben Werte gelten alternativ oder zusätzlich für b. Die Summe aus a und b ist bevorzugt größer gleich 0,3 oder 0,4 oder 0,5 und/oder kleiner gleich 0,65 oder 0,6 oder 0,55.
Für eine der aktiven Zone abgewandten Seite der Rampenschicht gilt bevorzugt a ≤ 0,1 oder a ≤ 0,05 oder a ≤ 0,02 oder a ≤ 0,005. Alternativ oder zusätzlich gilt 0,35 ≤ b oder 0,4 ≤ b oder 0,45 ≤ b und/oder b ≤ 0,65 oder b ≤ 0,6 oder b ≤ 0,55.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform steigt der Aluminiumgehalt b in der Rampe in Richtung weg von der aktiven Zone monoton oder streng monoton an. Alternativ oder zusätzlich kann sich der Aluminiumgehalt b in der aktiven Zone kontinuierlich, also ohne Sprünge, ändern. Insbesondere ändert sich der Aluminiumgehalt b in der Rampe linear oder näherungsweise linear.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Rampenschicht eine Dicke von mindestens 50 nm oder 150 nm oder 200 nm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt diese Dicke bei höchstens 800 nm oder 600 nm oder 400 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterchip eine p-Elektrode an der p-leitenden Schichtenfolge auf. Ferner beinhaltet der Halbleiterchip eine n-Elektrode an der n-leitenden Schichtenfolge. Die beiden Elektroden können jeweils unmittelbar an die zugehörige Schichtenfolge angrenzen. Bevorzugt sind die beiden Elektroden jeweils metallische Elektroden, das heißt, die Elektroden sind jeweils durch eine oder mehrere Schichten aus je einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet. Die p-Elektrode kann andere Materialien aufweisen als die n-Elektrode.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Elektroden oder ist zumindest eine der Elektroden zu einer Vielzahl von Streifen strukturiert. Streifen bedeutet dabei insbesondere, dass in Draufsicht auf die Halbleiterschichtenfolge gesehen eine Längsausdehnung des Streifens eine Breite des Streifens um mindestens einen Faktor 10 oder 100 übersteigt. Die einzelnen Streifen können dabei durch Verbindungsstege oder weitere Elemente miteinander und/oder mit einem Kontaktbereich zu einer externen elektrischen Kontaktierung verbunden sein. Anstelle von Streifen kann insbesondere die p-Elektrode auch zu einer Vielzahl von kleineren inselförmigen Bereichen oder Inseln strukturiert sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Streifen und die inselförmigen Bereiche dazu eingerichtet, Strom in die Halbleiterschichtenfolge einzuprägen. Mit anderen Worten befindet sich dann zwischen den Streifen oder inselförmigen Bereichen und der Halbleiterschichtenfolge keine zu einer Stromisolierung vorgesehene Schicht. Eine solche Isolationsschicht kann an den elektrischen Kontaktbereichen zur externen elektrischen Kontaktierung und/oder an den Verbindungsstegen angebracht sein, die dann entsprechend nicht zu einer Stromeinprägung vorgesehen sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform überdecken sich die beiden Elektroden nicht gegenseitig, in Draufsicht gesehen. Mit anderen Worten können die inselförmigen Bereiche zwischen den Streifen liegen oder, im Falle zweier zu Streifen strukturierter Elektroden, können die Elektroden kammartig ineinandergreifen, wobei sich die Streifen dann nicht gegenseitig abdecken oder abschatten, in Draufsicht auf die Halbleiterschichtenfolge gesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die Ätzstruktur in der p-leitenden Schichtenfolge nur zwischen benachbarten Streifen oder inselförmigen Bereichen der p-Elektrode, in Draufsicht gesehen. Mit anderen Worten ist im Bereich der Streifen oder der inselförmigen Bereiche der p-Elektrode dann keine Ätzstruktur vorhanden. Daher kann in Draufsicht gesehen unterhalb der Streifen oder der inselförmigen Bereiche und der p-Elektrode die Ätzsignalschicht vollständig vorhanden sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zwischen benachbarten Streifen an der n-Elektrode in der n-leitenden Schichtenfolge eine Aufrauung vorhanden. Es ist möglich, dass die Ätzstruktur in der p-leitenden Schichtenfolge mit der Aufrauung in der n-leitenden Schichtenfolge stellenweise überlappt, in Draufsicht auf die Halbleiterschichtenfolge gesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Halbleiterchip um einen Dünnfilm-Halbleiterchip. Das heißt, der Halbleiterchip ist dann frei von einem Aufwachssubstrat der Halbleiterschichtenfolge. Zu einer mechanischen Stabilisierung und bevorzugt auch zu einer elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge ist dann ein Träger vorhanden, der von dem Aufwachssubstrat verschieden ist. Insbesondere befindet sich der Träger an der p-leitenden Schichtenfolge und/oder an der p-Elektrode. In diesem Fall ist bevorzugt die n-leitende Schichtenfolge zu einer Strahlungsauskopplung aus der Halbleiterschichtenfolge heraus vorgesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die n-leitende Schichtenfolge und die p-leitende Schichtenfolge dotiert. Eine Dotierstoffkonzentration liegt bevorzugt bei mindestens 1 × 10¹⁶/cm³ oder 1 × 10¹⁷/cm³ oder 1 × 10¹⁸/cm³ und/oder bei höchstens 3 × 10¹⁶/cm³ oder 3 × 10¹⁷/cm³ oder 3 × 10¹⁸/cm³. Eine p-Dotierung erfolgt dabei beispielsweise mit Magnesium. Es können auch mehrere Dotierstoffe kombiniert vorhanden sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Abstand zwischen der Ätzsignalschicht und der aktiven Zone bei mindestens 100 nm oder 200 nm oder 300 nm. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Abstand bei höchstens 800 nm oder 600 nm oder 400 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Ätzstruktur eine mittlere Tiefe von wenigstens 0,25 µm oder 0,75 µm und/oder von höchstens 5 µm oder 3,5 µm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt eine mittlere Breite der Ätzstruktur bei mindestens 5 µm oder 10 µm oder 20 µm und/oder bei höchstens 150 µm oder 100 µm oder 40 µm. Dabei weist die Ätzstruktur bevorzugt eine im Rahmen der Herstellungstoleranzen planare Grundfläche und schräge Seitenflächen auf. Ein Winkel zwischen den Seitenflächen und einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge liegt bevorzugt bei mindestens 15° oder 30° oder 45° oder 55° und/oder bei höchstens 85° oder 75° oder 60° oder 45°.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Aufrauung eine mittlere Tiefe oder mittlere Strukturgröße oder mittlere Rauheit von mindestens 200 nm oder 250 nm oder 350 nm oder 500 nm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Wert bei höchstens 5 µm oder 2,5 µm oder 1 µm oder 0,75 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Abstand zwischen der Ätzstruktur und der aktiven Zone bei mindestens 100 nm oder 200 nm oder 300 nm. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Abstand bei höchstens 750 nm oder 500 nm oder 350 nm. Dem Abstand entspricht dabei insbesondere einer minimalen Dicke eines Materials der Halbleiterschichtenfolge zwischen der Ätzstruktur und der aktiven Zone.
Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips angegeben. Mit dem Verfahren wird insbesondere ein optoelektronischer Halbleiterchip hergestellt, wie in Verbindung mit einer oder mehreren der oben genannten Ausführungsformen angegeben. Merkmale des Halbleiterchips sind daher auch für das Verfahren offenbart und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Ätzstruktur in der Halbleiterschichtenfolge mittels trockenchemischen Ätzens erstellt. Bei dem Ätzen handelt es sich bevorzugt um ein Ätzen mit einem induktiv gekoppeltem Plasma.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird während des Ätzens und während des Erzeugens der Ätzstruktur der Signalbestandteil der Ätzsignalschicht detektiert und es wird auf diesen Signalbestandteil hin gemessen, insbesondere kontinuierlich gemessen. Das Ätzen wird durch eine Auswertung des Messens des Signalbestandteils gesteuert und/oder beendet. Beispielsweise wird das Ätzen beendet, wenn der Signalbestandteil gemessen wird. Ebenso kann das Ätzen nach einer bestimmten Zeit nach Auftreten des Signalbestandteils beendet werden. Auch ist es möglich, das Ätzen erst zu beenden, wenn ein Messsignal des Signalbestandteils kleiner wird oder verschwindet, wenn die Ätzsignalschicht also durchätzt ist.
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 Darstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchips.
In 1 ist in einer schematischen Darstellung ein Aufbau einer Halbleiterschichtenfolge 2 für einen optoelektronischen Halbleiterchip 1 dargestellt. Gezeigt ist dabei ein Anteil x eines Signalbestandteils in der Halbleiterschichtenfolge 2 entlang einer Wachstumsrichtung G der Halbleiterschichtenfolge 2. Bei dem Halbleiterchip 1 handelt es sich dabei um einen Leuchtdiodenchip zur Erzeugung von bevorzugt gelbem oder rotem Licht.
Die Halbleiterschichtenfolge 2 weist eine n-leitende Schichtenfolge 21 auf. Abweichend von der Darstellung kann die n-leitende Schichtenfolge 21 mehrere Teilschichten aufweisen. Die n-leitende Schichtenfolge 21 basiert beispielsweise auf InAlP. Eine Dicke der n-leitenden Schichtenfolge 21 beträgt bevorzugt mindestens 1 µm oder 2 µm oder 3 µm und/oder höchstens 10 µm oder 7 µm oder 5 µm, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen.
Entlang der Wachstumsrichtung G folgt der n-leitenden Schichtenfolge 21 eine aktive Zone 22 nach. Die aktive Zone 22 ist nur stark vereinfacht dargestellt und umfasst bevorzugt mehrere Quantentröge sowie zwischengelagerte Barriereschichten und bevorzugt weiterhin auch Barriereschichten für Löcher und für Elektronen. Die aktive Zone 22 basiert auf In_1-x-yAl_yGa_xP. Je nach Emissionswellenlänge gilt dabei für die Quantentröge in der aktiven Zone 22, dass 0,15 ≤ x oder 0,2 ≤ x und/oder x ≤ 0,5 oder x ≤ 0,4. Für die Barriereschichten in der aktiven Zone 22 gilt, je nach Emissionswellenlänge, bevorzugt 0,15 ≤ x oder 0,2 ≤ x und/oder x ≤ 0,4 oder x ≤ 0,35. Ein Indiumgehalt 1-x-y liegt bei ungefähr 50 % und somit bei 0,5 mit einer Toleranz von bevorzugt höchstens 0,1 oder 0,05. Eine Dicke der aktiven Zone 22 beträgt beispielsweise mindestens 300 nm oder 100 nm und/oder höchstens 1000 nm oder 2000 nm.
Entlang der Wachstumsrichtung G folgt der aktiven Zone 22 eine p-leitende Schichtenfolge 23 unmittelbar nach. Eine erste Schicht der p-leitenden Schichtenfolge 23 ist dabei durch eine p-dotierte Ätzsignalschicht 24 gebildet. Eine Dicke der Ätzsignalschicht 24 liegt bevorzugt bei ungefähr 300 nm. Die Ätzsignalschicht 24 basiert auf In_1-x-yAl_yGa_xP mit x ≈ 0,05 und y ≈ 0,45.
Der Ga-Gehalt x der Ätzsignalschicht 24, entsprechend dem Signalbestandteil, ist derart gewählt, dass einerseits gegenüber der aktiven Zone 22 eine effektive Ladungsträgerbarriere gebildet ist und dass andererseits bei dem Ätzen der Halbleiterschichtenfolge 2 beim Freilegen der Ätzsignalschicht 24 ein ausreichendes Messsignal hinsichtlich des Signalbestandteils resultiert. Entsprechend ist der Ga-Anteil x vergleichsweise klein, um einen ausreichenden Ladungsträgereinfang in der aktiven Zone 22 zu erzielen.
Entlang der Wachstumsrichtung G folgt der Ätzsignalschicht 24 eine weitere p-Schicht 25 nach. Die p-Schicht 25 basiert auf InAlP. Eine Dicke der weiteren p-Schicht 25 liegt wenigstens bereichsweise bevorzugt bei mindestens 500 nm oder 1000 nm oder 1500 nm und/oder bei höchstens 3000 nm oder 2000 nm.
Die p-leitende Schichtenfolge 23 kann an einer der aktiven Zone 22 abgewandten Seite der weiteren p-Schicht 25 zusätzliche, nicht dargestellte Schichten aufweisen, beispielsweise zu einer besseren elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge 2. Diese zusätzlichen Schichten sind zu einer Vereinfachung der Darstellung jeweils nicht gezeichnet.
An der p-leitenden Schichtenfolge 23 ist eine Ätzstruktur 3 erzeugt, siehe auch die Schnittdarstellung in 5A und die schematische Draufsicht in 5B. Die Ätzstruktur an der p-leitenden Schichtenfolge 23 ist in Bereichen zwischen einer zu Inseln 46 strukturierten p-Elektrode 43 erzeugt. Durch die Ätzstruktur 3 und damit durch die bereichsweise Wegnahme der p-Schicht 25, die entlang der Wachstumsrichtung G der Ätzsignalschicht 24 nachfolgt, ist eine Stromaufweitung lokal verhindert und eine Strahlungsauskopplungseffizienz ist erhöht. Anstelle von Inseln 46 kann die p-Elektrode 43, anders als gezeichnet, auch zu Streifen strukturiert sein, analog zur n-Elektrode 41.
Gemäß 5A ist ein Aufwachssubstrat von der Halbleiterschichtenfolge 2 entfernt. Statt dessen ist an der p-leitenden Halbleiterschichtenfolge 23 ein Träger 6 zu einer elektrischen Kontaktierung und mechanischen Stabilisierung angebracht. An der n-leitenden Schichtenfolge 21 befindet sich eine zu Stegen 44 strukturierte n-Elektrode 41 und eine elektrische Kontaktfläche 45, insbesondere zu einer Anbringung eines nicht gezeichneten Bond-Drahtes. Optional ist an der n-leitenden Schichtenfolge 21 eine Aufrauung 5 erzeugt. Anders als dargestellt kann zum Erzeugen der Aufrauung 5 ebenfalls eine Ätzsignalschicht vorhanden sein.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Halbleiterchips 1 dargestellt. Gemäß 2 befindet sich zwischen der aktiven Zone 22 und der Ätzsignalschicht 24 eine p-Schicht 25a derselben Zusammensetzung wie an einer der aktiven Zone 22 abgewandten Seite der Ätzsignalschicht 24.
Die p-Schichten 25a, 25b weisen somit im Rahmen der Herstellungstoleranzen eine gleiche Materialzusammensetzung auf. Aufgrund dieser zwischen der aktiven Zone 22 und der Ätzsignalschicht 24 liegenden p-Schicht 25a kann eine volle Barrierenhöhe hin zur aktiven Zone 22 ausgeschöpft werden, wodurch ein verbesserter Ladungsträgereinfang in der aktiven Zone 22 realisierbar ist. Eine Dicke dieser p-Schicht 25a liegt beispielsweise bei mindestens 50 nm oder 100 nm und/oder bei höchstens 500 nm oder 400 nm, bevorzugt bei ungefähr 300 nm. Der Aufbau der Halbleiterschichtenfolge 2, wie in 2 illustriert, entspricht auch dem Aufbau der Halbleiterschichtenfolge, wie in 5A gezeichnet.
Im Vergleich zur Halbleiterschichtenfolge 2 gemäß 1 befindet sich die Ätzsignalschicht 24 also weiter von der aktiven Zone 22 entfernt. Um dennoch eine geringe verbleibende Dicke der p-leitenden Schichtenfolge 23 in Bereichen mit der Ätzstruktur 3 zu erzielen ist es möglich, dass das Ätzen der Ätzstruktur 3 erst zeitverzögert nach einem Auftreten des Signalbestandteils, also Ga, erfolgt oder dass das Ätzen auf ein abfallendes Signal hin des Signalbestandteils gestoppt hin. Wird auf Zeit überätzt, so erfolgt dies dennoch mit einer vergleichsweise hohen Präzision, da ein Anteil der Zeit des Überätzens im Vergleich zu einer Gesamtätzzeit klein ist, sodass ein Einfluss einer schwankenden Ätzrate oder einer Dickenschwankung in der Halbleiterschichtenfolge 2 aufgrund von Epitaxietoleranzen dementsprechend verringert ist.
Somit kann, abweichend von der Darstellung in 5A, die Ätzstruktur 3 auch die Ätzsignalschicht 24 stellenweise durchdringen. Ebenso kann in den Bereichen zwischen den Stegen 44 der p-Elektrode 43 die Ätzsignalschicht 24 vollständig entfernt sein.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß 3 befindet sich zwischen der aktiven Zone 22 und der Ätzsignalschicht 24 eine Rampenschicht 26. In der Rampenschicht 26 fällt der Ga-Anteil x entlang der Wachstumsrichtung G linear ab. Ein Indiumgehalt bleibt dabei näherungsweise konstant, sodass ein Aluminiumanteil in der Rampenschicht 26 entlang der Wachstumsrichtung G ansteigt. Eine Dicke der Rampenschicht 26 liegt beispielsweise bei ungefähr 300 nm. In der Rampenschicht 26 ist also, im Gegensatz zu der Ätzsignalschicht 24, ein Anteil von Aluminium und Gallium variiert.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß 4 befindet sich zwischen der Rampenschicht 26 und der Ätzsignalschicht 24 die dazwischen liegende Schicht 25a, analog zum Ausführungsbeispiel gemäß 2.
Die hier beschriebene 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.
Bezugszeichenliste

1: optoelektronischer Halbleiterchip
2: Halbleiterschichtenfolge
21: n-leitende Schichtenfolge
22: aktive Zone
23: p-leitende Schichtenfolge
24: Ätzsignalschicht
25: p-Schicht
26: Rampenschicht
3: Ätzstruktur
41: n-Elektrode
43: p-Elektrode
44: Streifen
45: elektrische Kontaktfläche
5: Aufrauung
6: Träger
G: Wachstumsrichtung

Claims

Optoelektronischer Halbleiterchip (1) mit einer Halbleiterschichtenfolge (2), wobei die Halbleiterschichtenfolge (2) aufweist: – eine n-leitende Schichtenfolge (21), – eine p-leitende Schichtenfolge (23), – eine aktive Zone (22), die zwischen der n-leitenden Schichtenfolge (21) und der p-leitenden Schichtenfolge (23) liegt, – mindestens eine Ätzsignalschicht (24) in der p-leitenden Schichtenfolge (23) und/oder in der n-leitenden Schichtenfolge (21), und – eine Ätzstruktur (3) an einer der aktiven Zone (22) abgewandten Seite der Ätzsignalschicht (24), wobei – die Ätzstruktur (3) mindestens bis in die Ätzsignalschicht (24) reicht, – die Ätzsignalschicht (24) einen Signalbestandteil aufweist, der in einer in Richtung hin zu der Ätzstruktur (3) an die Ätzsignalschicht (24) angrenzenden Schicht (25) um mindestens einen Faktor zwei reduziert ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die aktive Zone (22) zur Strahlungserzeugung eingerichtet ist und auf InAlGaP oder auf InAlGaAs basiert, wobei – sich die Ätzsignalschicht (24) in der p-leitenden Schichtenfolge (23) befindet und auf In_1-x-yAl_yGa_xP oder auf In_1-x-yAl_yGa_xAs basiert mit x + y < 1, – der Signalbestandteil Ga ist und 0,005 ≤ x ≤ 0,2, – in der in Richtung hin zu der Ätzstruktur (3) an die Ätzsignalschicht (24) angrenzenden Schicht (25) der Signalbestandteil nicht vorhanden ist, und – eine Dicke der Ätzsignalschicht (24) zwischen einschließlich 50 nm und 800 nm beträgt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Konzentration des Signalbestandteils in der Ätzsignalschicht (24) konstant ist, mit einer Toleranz von höchstens 20 % einer mittleren Konzentration des Signalbestandteils in der Ätzsignalschicht (24).
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich die Ätzsignalschicht (24) unmittelbar an die aktive Zone (22) anschließt, in Richtung hin zu der Ätzstruktur (3).
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Ätzsignalschicht (24) von der aktiven Zone (22) beabstandet ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem sich beiderseits der Ätzsignalschicht (24) je eine weitere Schicht (25) befindet und diese weiteren Schichten (25) eine gleiche Materialzusammensetzung aufweisen, wobei diese weiteren Schichten (25) frei von dem Signalbestandteil sind.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei dem sich zwischen der Ätzsignalschicht (24) und der aktiven Zone (22) in der p-Schichtenfolge (23) eine Rampenschicht (26) befindet, die auf In_1-a-bAl_bGa_aP oder auf In_1-a-bAl_bGa_aAs basiert mit a + b < 1, wobei – in Richtung weg von der aktiven Zone (22) in der Rampenschicht (26) der Al-Gehalt y monoton oder streng monoton ansteigt und die Rampenschicht (26) direkt an die aktive Zone (22) angrenzt, – an der aktiven Zone (22) gilt: 0,15 ≤ a ≤ 0,35 und 0,15 ≤ b ≤ 0,35 sowie 0,4 ≤ a + b ≤ 0,6, und – an einer der aktiven Zone (22) abgewandten Seite der Rampenschicht (26) gilt: a ≤ 0,05 und 0,4 ≤ b ≤ 0,6.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem sich in der Rampenschicht (26) der Al-Gehalt b linear ändert und der Indium-Gehalt 1-a-b konstant ist, wobei eine Dicke der Rampenschicht (26) zwischen einschließlich 50 nm und 500 nm liegt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner eine p-Elektrode (43) an der p-leitenden Schichtenfolge (23) und eine n-Elektrode (41) an der n-leitenden Schichtenfolge (21) aufweist, wobei die Elektroden (41, 43) je zu einer Vielzahl von Streifen (44) oder Inseln (46) strukturiert sind und die Streifen (44) oder die Inseln (46) beider Elektroden (41, 42) in einem strahlungserzeugenden Bereich, in Draufsicht gesehen, überdeckungsfrei angeordnet sind, und wobei die Ätzstruktur (3) in der p-leitenden Schichtenfolge (23) in dem strahlungserzeugenden Bereich nur zwischen benachbarten Streifen (44) oder Inseln (46) der p-Elektrode (43) vorhanden ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem zwischen benachbarten Streifen (44) der n-Elektrode (41) in der n-leitenden Schichtenfolge (21) eine Aufrauung (5) vorhanden ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der frei von einem Aufwachssubstrat der Halbleiterschichtenfolge (2) ist, wobei eine Strahlungsauskopplung an der n-leitenden Schichtenfolge (21) erfolgt und wobei sich ein Träger (6) an der p-leitenden Schichtenfolge (23) befindet.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem – die Ätzsignalschicht (24) auf In_1-x-yAl_yGa_xP mit 0,35 ≤ y ≤ 0,55 und mit 0,02 ≤ x ≤ 0,15 basiert und eine Dicke zwischen einschließlich 150 nm und 500 nm aufweist und mit Mg mit einer Konzentration zwischen einschließlich 1 × 10¹⁶ cm^–3 und 3 × 10¹⁸ cm^–3 dotiert ist, – die an die Ätzsignalschicht (24) angrenzende p-Schicht (25) auf In_1-x-yAl_yGa_xP mit 0,4 ≤ y ≤ 0,6 und mit x ≤ 0,001 basiert, – ein Abstand zwischen der Ätzsignalschicht (26) und der aktiven Zone (22) zwischen einschließlich 200 nm und 600 nm beträgt, – die Ätzstruktur (5) eine mittlere Tiefe zwischen einschließlich 250 nm und 5 µm aufweist, und – ein Abstand zwischen der Ätzstruktur (3) und der aktiven Zone (22) zwischen einschließlich 100 nm und 500 nm beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit den Schritten: – Bereitstellen der Halbleiterschichtenfolge (2) mit der n-leitenden Schichtenfolge (21), der p-leitenden Schichtenfolge (23), der aktiven Zone (22) und der Ätzsignalschicht (24), – Erzeugen der Ätzstruktur (3) mittels trockenchemischen Ätzens der Halbleiterschichtenfolge (2), und – Fertigstellen des Halbleiterchips (1), wobei – während des Ätzens auf den Signalbestandteil der Ätzsignalschicht (24) hin gemessen wird, und – das Ätzen durch eine Auswertung des Messens des Signalbestandteils beendet wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem das Ätzen ein Ätzen mit induktiv gekoppeltem Plasma ist, wobei beim Ätzen die Ätzsignalschicht (24) stellenweise vollständig durchdrungen wird.