DE102015111046B4

DE102015111046B4 - Optoelektronischer Halbleiterchip

Info

Publication number: DE102015111046B4
Application number: DE102015111046.6A
Authority: DE
Inventors: Philipp Kreuter; Markus Bröll; Jens Müller
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2015-07-08
Filing date: 2015-07-08
Publication date: 2022-07-07
Anticipated expiration: 2035-07-09
Also published as: WO2017005829A1; DE102015111046A1; US20180212107A1; DE102015111046B9

Abstract

Optoelektronischer Halbleiterchip (1) mit- einer Halbleiterschichtenfolge (2) mit einer ersten Seite (21) und einer zweiten Seite (23, 24) sowie einer dazwischen liegenden aktiven Zone (22), wobei die beiden Seiten unterschiedliche Leitfähigkeitstypen aufweisen, und- mindestens einer Durchkontaktierung (3), die von der ersten Seite (21) her durch die aktive Zone (22) hindurch die zweite Seite (23, 24) elektrisch kontaktiert, wobei- die Durchkontaktierung (3) einen Basisbereich (31) aufweist, der als Zylinder, Kegelstumpf oder als Pyramidenstumpf geformt ist und der in lateraler Richtung (L), senkrecht zu einer Wachstumsrichtung (G) der Halbleiterschichtenfolge (2), ringsum von einer elektrischen Isolationsschicht (32) umgeben ist,- die Durchkontaktierung (3) einen Kontaktbereich (33) aufweist, der als Kegelstumpf oder als Pyramidenstumpf oder als sphärischer oder asphärischer Körper geformt ist, der in Richtung parallel zur Wachstumsrichtung (G) dem Basisbereich (31) unmittelbar nachfolgt und der in direktem Kontakt mit der zweiten Seite (23, 24) steht, und- ein erster Flankenwinkel (a) des Basisbereichs (31) um mindestens 3° und um höchstens 25° größer ist als ein zweiter Flankenwinkel (b) des Kontaktbereichs (33), jeweils bezogen auf die laterale Richtung (L), sodass der erste Flankenwinkel (a) zwischen einschließlich 40° und 70° beträgt und der zweite Flankenwinkel (b) zwischen einschließlich 25° und 55° liegt, und- für eine Höhe h des Kontaktbereichs (33) und für einen mittleren Durchmesser d1 der Durchkontaktierung (3) an der Grenze zwischen dem Kontaktbereich (33) und dem Basisbereich (31) gilt: 7 ≤ d1/h ≤ 20.

Description

Es wird ein optoelektronischer Halbleiterchip angegeben.
Die Druckschriften DE 10 2012 106 953 A1 und DE 10 2011 015 821 A1 beschreiben optoelektronische Halbleiterchips.
Die Druckschrift DE 10 2010 025 320 A1 beschreibt ein optoelektronisches Bauelement.
Die Druckschrift DE 10 2007 022 947 A1 beschreibt einen optoelektronischen Halbleiterkörper.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen optoelektronischen Halbleiterchip anzugeben, der effizient elektrisch kontaktierbar ist und der eine hohe Strahlungsauskoppeleffizienz 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 ist der optoelektronische Halbleiterchip zur Erzeugung von Strahlung eingerichtet. Insbesondere handelt es sich bei dem Halbleiterchip um einen Leuchtdiodenchip, auch als LED-Chip bezeichnet. Beispielsweise wird von dem optoelektronischen Halbleiterchip im Betrieb sichtbares Licht, ultraviolette Strahlung oder infrarote Strahlung emittiert.
Der Halbleiterchip umfasst eine Halbleiterschichtenfolge. Die Halbleiterschichtenfolge ist beispielsweise 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 oder auch AlInGaAsP, 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.
Die Halbleiterschichtenfolge umfasst eine erste Seite und eine zweite Seite sowie eine dazwischen liegende aktive Zone. Die aktive Zone ist zur Strahlungserzeugung eingerichtet. Die erste Seite und die zweite Seite können jeweils eine oder mehrere Teilschichten der Halbleiterschichtenfolge umfassen. Dabei weisen die erste und die zweite Seite unterschiedliche, voneinander verschiedene Leitfähigkeitstypen auf. Beispielsweise ist die erste Seite ein gesamtes p-dotiertes Gebiet der Halbleiterschichtenfolge und die zweite Seite ein gesamtes n-dotiertes Gebiet oder umgekehrt. Die erste Seite, die aktive Zone und die zweite Seite folgen entlang einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge aufeinander, bevorzugt unmittelbar aufeinander.
Der Halbleiterchip umfasst eine oder, bevorzugt, mehrere Durchkontaktierungen. Die mindestens eine Durchkontaktierung ist zur Bestromung der zweiten Seite eingerichtet. Von der ersten Seite her durchläuft die Durchkontaktierung die aktive Zone und reicht bis in die zweite Seite hinein, so dass die zweite Seite elektrisch mittels der Durchkontaktierung kontaktiert ist. Dass die Durchkontaktierung durch die aktive Zone hindurch verläuft, kann bedeuten, dass in Draufsicht gesehen die Durchkontaktierung ringsum von einer geschlossenen Bahn der aktiven Zone umgeben ist. Dabei befindet sich zwischen der Durchkontaktierung und der aktiven Zone bevorzugt kein evakuierter oder gasgefüllter Spalt.
Die Durchkontaktierung weist einen Basisbereich auf. Der Basisbereich kann sich hin in Richtung zur zweiten Seite verjüngen. Der Basisbereich ist insbesondere als Zylinder, Kegelstumpf oder als Pyramidenstumpf geformt. Dabei schließen die Begriffe Zylinder und Kegelstumpf mit ein, dass der Kegel oder Zylinder, in Draufsicht gesehen, als Grundform auch eine Ellipse aufweisen kann. Herstellungsbedingt ist es möglich, dass die Form der Durchkontaktierung von der Idealform eines Kegelstumpfes oder eines Pyramidenstumpfes geringfügig abweichen kann.
Der Basisbereich der Durchkontaktierung ist ringsum von einer elektrischen Isolationsschicht umgeben, bevorzugt unmittelbar umgeben. Das heißt, ringsum entlang einer lateralen Richtung folgt dann auf die Durchkontaktierung in dem Basisbereich nach außen hin eine elektrische Isolationsschicht. Zwischen dem Basisbereich und der Halbleiterschichtenfolge besteht dann bevorzugt kein unmittelbarer elektrischer Kontakt. Die laterale Richtung ist dabei senkrecht zur Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge orientiert.
Die Durchkontaktierung weist einen Kontaktbereich auf. Der Kontaktbereich folgt, in Richtung weg von der ersten Seite, dem Basisbereich unmittelbar nach. Insbesondere sind der Basisbereich und der Kontaktbereich einstückig ausgebildet.
Der Kontaktbereich stellt eine Erhebung über den Basisbereich hinweg dar, in Richtung parallel zur Wachstumsrichtung. Dabei weist der Kontaktbereich bevorzugt die Form eines Kegelstumpfes oder eines Pyramidenstumpfes auf. Alternativ ist es möglich, dass der Kontaktbereich als Halbkugel oder Halbellipsoid oder domförmiger, sphärischer oder auch asphärischer Körper gestaltet ist. Bevorzugt jedoch weist der Kontaktbereich eine ebene oder näherungsweise ebene Begrenzungsfläche hin zur Halbleiterschichtenfolge auf, in Richtung weg von dem Basisbereich.
Der Kontaktbereich steht in direktem Kontakt mit der zweiten Seite der Halbleiterschichtenfolge, insbesondere nur mit der zweiten Seite. Hierdurch ist es möglich, dass über den Kontaktbereich ein Strom in die zweite Seite eingeprägt wird.
Der Basisbereich weist einen ersten Flankenwinkel auf und der Kontaktbereich einen zweiten Flankenwinkel. Die Flankenwinkel sind dabei die Winkel zwischen der lateralen Richtung und den Seitenflächen des Basisbereichs und des Kontaktbereichs. Die Winkel werden dabei bevorzugt gemessen in einer Ebene, in der sowohl die laterale Richtung als auch die Wachstumsrichtung liegen. Der erste Flankenwinkel ist besonders bevorzugt von dem zweiten Flankenwinkel verschieden. Mit anderen Worten gehen dann der Basisbereich und der Kontaktbereich durch einen Knick oder durch eine Krümmung der Mantelflächen ineinander über.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst der optoelektronische Halbleiterchip, der bevorzugt ein LED-Chip ist, eine Halbleiterschichtenfolge. Die Halbleiterschichtenfolge weist eine erste Seite und eine zweite Seite sowie eine dazwischen liegende aktive Zone auf. Die beiden Seiten zeigen unterschiedliche Leitfähigkeitstypen auf. Von der ersten Seite her durch die aktive Zone hindurch ist die zweite Seite mit mindestens einer Durchkontaktierung elektrisch kontaktiert. Die Durchkontaktierung beinhaltet einen Basisbereich, der bevorzugt als Zylinder, Kegelstumpf oder als Pyramidenstumpf geformt ist und der in lateraler Richtung, senkrecht zu einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge, ringsum von einer elektrischen Isolationsschicht umgeben ist. Die Durchkontaktierung weist ferner einen Kontaktbereich auf, der als sphärischer oder asphärischer oder, bevorzugt, ebenfalls als Kegelstumpf oder als Pyramidenstumpf geformt ist und der in Richtung parallel zur Wachstumsrichtung dem Basisbereich unmittelbar nachfolgt sowie in direktem Kontakt mit der zweiten Seite steht. Ein erster Flankenwinkel des Basisbereichs ist anders als ein zweiter Flankenwinkel des Kontaktbereichs, jeweils bezogen auf die laterale Richtung.
In Leuchtdiodenchips kann es zu einer lateralen Wellenleitung in einer aktiven Zone kommen, wenn die aktive Zone einen höheren Brechungsindex aufweist als umgebendes Halbleitermaterial. Eine Wellenleitung in der aktiven Zone resultiert im Regelfall in einer Reduktion einer Auskoppelwahrscheinlichkeit und führt zu erhöhten optischen Verlusten durch Reabsorption in der aktiven Zone. Ferner ist ein Durchmesser von Vias, auch als Durchkontaktierungen bezeichnet, die durch die aktive Zone hindurchgeführt werden, aufgrund von an dieser Grenzfläche entstehenden nichtstrahlenden Rekombinationszentren klein zu halten. Dies führt jedoch zu einer Begrenzung einer Via-Kontaktfläche mit der Halbleiterschichtenfolge und damit zu einer Begrenzung für eine Reduzierung eines Serienwiderstandsbeitrags durch die Vias. Bei solchen Vias ist typischerweise die Kontaktfläche gleich einer Kopffläche der Vias. Somit ist ein Serienwiderstandsbeitrag der Vias durch deren Durchmesser beschränkt.
Im Fall von schrägen Seitenflächen von Vias kann in der aktiven Zone geführtes Licht an den Vias streuen. Eine weitere Möglichkeit, um eine laterale Wellenleitung zu verhindern oder abzuschwächen, sind geätzte Mikroprismen, die sehr nah an die aktive Zone herangeführt werden, um Licht zu streuen.
Bei dem hier beschriebenen Halbleiterchip können einerseits Durchkontaktierungen zur Verbesserung einer Lichtauskoppeleffizienz verwendet werden. Durch die Unterteilung der Durchkontaktierung in einen Kontaktbereich und in einen Basisbereich sind gleichzeitig die elektrischen Eigenschaften optimierbar.
Mit anderen Worten werden die Kontaktflächen der Durchkontaktierung bei gleicher lateraler Größe bei dem hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchip vergrößert. Dies wird dadurch erreicht, dass die Durchkontaktierungen als Kegelstümpfe mit gestuftem Flankenwinkel ausgeführt werden. Somit ist ein oberer Teil der Durchkontaktierungen, der Kontaktbereich, an den Mantelflächen nicht passiviert und schließt elektrisch an die Halbleiterschichtenfolge an. In dem Kontaktbereich, in dem die Durchkontaktierung elektrisch an die Halbleiterschichtenfolge angekoppelt ist, ist der zweite Flankenwinkel zwischen einer Mantellinie und einer Kegelachse vom entsprechenden Winkel der verbleibenden Durchkontaktierung, also des Basisbereichs, verschieden.
Dabei sind möglichst große zweite Flankenwinkel, also möglichst parallel zur Wachstumsrichtung, für den Kontaktbereich bevorzugt, um eine besonders große Kontaktfläche zu erzielen. Hierbei sind allerdings durch Prozessparameter dem zweiten Flankenwinkel unter Umständen Grenzen gesetzt. Der zweite Flankenwinkel ist dabei unabhängig vom ersten Flankenwinkel optimierbar, so dass die optischen Eigenschaften durch den Kontaktbereich bevorzugt nicht oder nicht signifikant beeinträchtigt werden. Somit ist durch die Aufteilung in den Kontaktbereich und den Basisbereich eine unabhängige Optimierung der optischen und der elektrischen Eigenschaften möglich.
Da die Mantelflächen der Durchkontaktierungen zur Streuung des in der aktiven Zone erzeugten Lichts verwendet werden können, kann auf eine zusätzliche Mikroprismenätzung, die einen Stromfluss in lateraler Richtung durch die aktive Zone stark einschnüren und sich negativ auf die Verlässlichkeit des Halbleiterchips auswirken, verzichtet werden. Die für den elektrischen Anschluss des Bauteils benötigten Durchkontaktierungen können gleichzeitig hinsichtlich ihres Kontaktwiderstands optimiert als auch zur Optimierung der optischen Eigenschaften, insbesondere der Lichtauskopplung, genutzt werden.
Der erste Flankenwinkel und der zweite Flankenwinkel unterscheiden sich insbesondere betragsmäßig um mindestens 3° oder 10° oder 15° voneinander. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Unterschied bei höchstens 90° oder 35° oder 25° oder 20°. Dabei ist der erste Flankenwinkel bevorzugt größer als der zweite Flankenwinkel.
Der erste Flankenwinkel beträgt mindestens 40° oder 50° und/oder liegt bei höchstens 90° oder 70° oder 60°. Alternativ oder zusätzlich liegt der zweite Flankenwinkel bei mindestens 20° oder 25° oder 35° und/oder bei höchstens 120° oder 90° oder 65° oder 55° oder 45°.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Kontaktbereich eine Höhe, in Richtung parallel zur Wachstumsrichtung, auf, die bei mindestens 0,05 µm oder 0,2 µm oder 0,4 µm liegt. Alternativ oder zusätzlich beträgt diese Höhe höchstens 4 µm oder 2 µm oder 1,5 µm.
Für die Höhe h des Kontaktbereichs und für einen mittleren Durchmesser d1 der Durchkontaktierung gilt: 1 ≤ d1/h oder 3 ≤ d1/h oder 7 ≤ d1/h und/oder d1/h ≤ 10 oder d1/h ≤ 20 oder d1/h ≤ 30. Dabei ist d1 der mittlere Durchmesser der Durchkontaktierung an der Grenze zwischen dem Kontaktbereich und dem Basisbereich, entlang der lateralen Richtung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt der mittlere Durchmesser d1 bei mindestens 1 µm oder 2 µm oder 4 µm. Alternativ oder zusätzlich liegt der mittlere Durchmesser d1 bei höchstens 50 µm oder 40 µm oder 30 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Basisbereich eine Basishöhe auf, in Richtung parallel zur Wachstumsrichtung. Die Basishöhe beträgt mindestens 200 nm oder 1 µm oder 2 µm und/oder höchstens 30 µm oder 15 µm oder 5 µm. Es gilt alternativ oder zusätzlich, dass die Basishöhe mindestens so groß ist wie eine Summe der Dicken der aktiven Zone und der ersten Seite + 100 nm dieser Dicken.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform gilt für die Basishöhe H und für die h des Kontaktbereichs zumindest einer der folgenden Zusammenhänge: 0,2 ≤ H/h oder 3 ≤ H/h oder 6 ≤ H/h und/oder H/h ≤ 15 oder H/h ≤ 30 oder H/h ≤ 40.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Kontaktbereich an einer Grenzfläche zur Halbleiterschichtenfolge hin eines oder mehrerer der folgenden Materialien auf oder besteht dort aus einem oder mehrerer dieser Materialien: Au, Ag, Indium-Zinn-Oxid oder kurz ITO, ZnO, Ni, Ge, Zn, Rh, Pd, Pt, Ti.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform besteht der Basisbereich überwiegend aus einem oder mehrerer der folgenden Materialien: Ag, Au, ITO, ZnO, Ni, Ge, Zn, Rh, Pd, Pt, Ti, Sn, W. Überwiegend bedeutet dabei, dass ein Masse-Anteil und/oder ein Volumenanteil des entsprechenden Materials bei mindestens 50 % oder 75 % liegt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei der Durchkontaktierung um eine metallische Durchkontaktierung. Das heißt, die Durchkontaktierung ist dann aus einem oder mehreren Metallen gebildet. Die metallischen Bestandteile an der Durchkontaktierung machen dann bevorzugt mindestens 90 Masse-% oder 95 Masse-% oder 99 Masse-% aus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird in der aktiven Zone eine Strahlung mit einer Hauptwellenlänge erzeugt. Die Hauptwellenlänge ist dabei diejenige Wellenlänge, bei der eine maximale Intensität liegt, gemessen in W oder W/nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Isolationsschicht, die den Basisbereich der Durchkontaktierung umgibt, eine mittlere Dicke auf. Die mittlere Dicke wird dabei in eine Richtung senkrecht zu einer Mantelfläche des Basisbereichs bestimmt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform gilt hinsichtlich der Hauptwellenlänge A und der mittleren Dicke D der Isolationsschicht der folgende Zusammenhang: D > A/4n oder D > 3λ/8n oder D > 5λ/8n und/oder D < 2λ/n oder D < 3λ/2n oder D < 3λ/4n. Dabei ist n der Brechungsindex der Isolationsschicht bei der Hauptwellenlänge.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform verjüngt sich die Isolationsschicht in Richtung hin zu dem Kontaktbereich. Dabei kann eine Dicke der Isolationsschicht in Richtung hin zum Kontaktbereich kontinuierlich abnehmen. Die Dickenabnahme kann linear oder näherungsweise linear erfolgen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterchip eine Vielzahl der Durchkontaktierungen auf. In Draufsicht gesehen liegt dabei eine Flächendichte der Durchkontaktierungen bevorzugt bei mindestens 20/mm² oder 30/mm² oder 20/mm² oder 50/mm². Alternativ oder zusätzlich liegt die Dichte der Kontaktierungen bei höchstens 500/mm² oder 300/mm² oder 150/mm². Die Durchkontaktierungen sind dabei bevorzugt in einem regelmäßigen Muster angeordnet, in Draufsicht gesehen. Beispielsweise sind die Durchkontaktierungen in einem quadratischen oder rechteckigen oder hexagonalen Raster angebracht. Entsprechende mittlere Abstände zwischen benachbarten Durchkontaktierungen ergeben sich aus der Flächendichte der Durchkontaktierungen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform basiert die Halbleiterschichtenfolge auf dem Materialsystem AlInAsGaP oder AlInGaP. Der Halbleiterchip ist dann bevorzugt zur Emission von gelbem, orangem oder rotem Licht oder von nahinfraroter Strahlung eingerichtet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die zweite Seite p-dotiert und die erste Seite ist n-dotiert. Es ist möglich, dass die zweite Seite eine Dotierschicht sowie eine Kontaktschicht umfasst oder hieraus besteht. Dabei ist die Kontaktschicht höher dotiert als die Dotierschicht, beispielsweise um mindestens einen Faktor 2 oder 5 oder 10 höher dotiert. Die Dotierschicht grenzt beispielsweise unmittelbar an die aktive Zone, ist bevorzugt jedoch von der aktiven Zone beabstandet. Aufgrund der geringeren Dotierstoffkonzentration ist es möglich, dass die Dotierschicht eine höhere Kristallqualität aufweist als die Kontaktschicht, wodurch auch eine Qualität der aktiven Zone verbesserbar ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform reicht die Durchkontaktierung bis in die Kontaktschicht hinein. Mit anderen Worten endet dann der Kontaktbereich der Durchkontaktierung in der Kontaktschicht. Insbesondere befindet sich der Kontaktbereich der Durchkontaktierung vollständig in der Kontaktschicht. Eine entsprechende Aufteilung in eine Dotierschicht und in eine Kontaktschicht kann auch an der ersten Seite vorliegen.
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 schematische Schnittdarstellungen eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchips,
2 eine schematische Schnittdarstellung einer Abwandlung eines Halbleiterchips, und
3 schematische Schnittdarstellungen von Verfahrensschritten zur Herstellung eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchips.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips 1 gezeigt. Dabei stellen die 1B und 1C Ausschnittsvergrößerungen aus der 1A dar.
Der Halbleiterchip 1 umfasst eine Halbleiterschichtenfolge 2. Die Halbleiterschichtenfolge 2 beinhaltet eine erste Seite 21 und eine zweite Seite 23. Beispielsweise ist die erste Seite 21 n-leitend und die zweite Seite 23 p-leitend. Zwischen den beiden Seiten 21, 23 befindet sich eine aktive Zone 22 zur Erzeugung von Strahlung. Beispielsweise basiert die Halbleiterschichtenfolge 2 auf dem Materialsystem AlInGaP.
Ausgehend von einem Träger 4 erstrecken sich mehrere Durchkontaktierungen 3 durch die erste Seite 21 und durch die aktive Zone 22 hindurch bis in die zweite Seite 23. Durch die elektrischen Durchkontaktierungen 3 ist die zweite Seite 23 somit elektrisch kontaktiert. Zwischen den Durchkontaktierungen 3 und der Halbleiterschichtenfolge 2 befindet sich in einer lateralen Richtung L, senkrecht zu einer Wachstumsrichtung G der Halbleiterschichtenfolge 2, eine elektrische Isolationsschicht 32. An Seitenflächen der Durchkontaktierungen 3 und an einer Grenzfläche hin zu dem Träger 4 erfolgt eine Reflexion der Strahlung R hin zu Lichtauskoppelstrukturen 5 an einer dem Träger 4 abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge 2.
Die erste Seite 21 kann direkt elektrisch kontaktiert sein. Alternativ ist es möglich, dass sich zwischen dem Träger 4 und der ersten Seite 21 eine nicht dargestellte Stromaufweitungsschicht befindet, beispielsweise in Form eines metallischen Spiegels.
Die Durchkontaktierungen 3, siehe die 1B und 1C, weisen jeweils einen Basisbereich 31 und einen Kontaktbereich 33 auf. Der Basisbereich 31 ist ringsum von der Isolationsschicht 32 umgeben, entlang der lateralen Richtung L. Damit erfolgt kein direkter Stromfluss aus dem Basisbereich 31 in die Halbleiterschichtenfolge 2. Der Kontaktbereich 33 folgt entlang der Wachstumsrichtung G dem Basisbereich 31 unmittelbar nach und ist einstückig mit diesem ausgebildet. Im Kontaktbereich 33 steht die Durchkontaktierung 3 in direktem Kontakt mit der Halbleiterschichtenfolge 2.
Sowohl der Kontaktbereich 33, in 1B gekennzeichnet durch ein mit einer Strich-Linie gezeichnetes Rechteck, als auch der Basisbereich 31 sind kegelstumpfförmig gestaltet.
Bezogen auf die laterale Richtung L weist eine Mantelfläche des Basisbereichs 31 einen Flankenwinkel a auf und der Kontaktbereich 33 einen Flankenwinkel b. Der erste Flankenwinkel a des Basisbereichs 31 ist dabei größer als der zweite Flankenwinkel b des Kontaktbereichs. Eine den Basisbereich 31 abgewandte Oberseite des Kontaktbereichs 33 kann eben oder näherungsweise eben gestaltet sein. Abweichend von der Darstellung in 1 ist es alternativ auch möglich, dass der erste Flankenwinkel a des Basisbereichs 31 kleiner oder gleich dem zweiten Flankenwinkel b des Kontaktbereichs ist.
Dadurch, dass die Isolationsschicht 32 teilweise nicht an den Seitenflächen der Durchkontaktierung 3 aufgebracht ist, ist der Kontaktbereich 33 gebildet. Hierdurch ist eine Kontaktfläche zwischen der Halbleiterschichtenfolge 3 und der Durchkontaktierung 3 vergrößert, so dass ein Serienwiderstand senkbar ist. Zusätzlich erfolgt durch die Durchkontaktierungen 3 eine Streuung oder Umlenkung von Strahlung R, die in der aktiven Zone 22 geführt wird. Hierdurch ist eine erhöhte Lichtauskoppeleffizienz erzielbar.
Die Höhe H des Basisbereichs 31 beträgt beispielsweise 4 µm. Eine Höhe h des Kontaktbereichs 33 liegt beispielsweise bei 0,5 µm. Ein erster Durchmesser d1, an den der Kontaktbereich 33 und der Basisbereich 31 aneinanderstoßen, liegt zum Beispiel bei 4 µm. Der erste Flankenwinkel a beträgt zum Beispiel 65° und der zweite Flankenwinkel b beispielsweise 55°. Die genannten Werte gelten zum Beispiel mit eine Toleranz von höchstens 50 % oder 25 % oder 10 %.
Ein zweiter Durchmesser d2 an der Oberseite des Kontaktbereichs 33 ergibt sich trigonometrisch aus der Höhe h des Kontaktbereichs 33 und dem ersten Durchmesser d1. Bevorzugt wird der zweite Flankenwinkel b möglichst groß gewählt, ebenso wie die Höhe h des Kontaktbereichs 33. Der Basisbereich 31 besteht bevorzugt überwiegend aus Silber und/oder Gold. Im Kontaktbereich 33 befindet sich hin zur zweiten Seite 23, 24 bevorzugt eine dünne metallische Kontaktschicht, nicht gezeichnet, etwa aus Platin. Dünn meint zum Beispiel eine Dicke von höchstens 500 nm oder 100 nm oder 30 nm.
In 2 ist eine Abwandlung eines Halbleiterchips dargestellt. Gemäß 2, siehe das strichlierte Rechteck, weist die Durchkontaktierung 3 eine flache Oberseite auf, ohne dem abgestuften Kontaktbereich aus 1. Hierdurch ist eine elektrische Kontaktfläche zwischen der Durchkontaktierung 3 und der Halbleiterschichtenfolge 2 reduziert.
Optional, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, kann die zweite Seite aus zwei Schichten 23, 24 zusammengesetzt sein. Bei der Schicht 23 handelt es sich etwa um eine Dotierschicht mit einer vergleichsweise niedrigen Dotierung, um eine hohe Kristallqualität zu erzielen. Die Kontaktschicht 24 ist bevorzugt hoch dotiert, um eine effiziente laterale Stromaufweitung zu gewährleisten. Anders als in 1 dargestellt kann auch die erste Seite 21 aus mehreren Teilschichten zusammengesetzt sein.
In 3 ist ein Herstellungsverfahren für die Durchkontaktierungen 3 schematisch illustriert. Gemäß 3A wird ein Loch 6 in die Halbleiterschichtenfolge 2 geätzt. Das gestufte Loch 6 wird beispielsweise mittels Variation eines chemischen Ätzanteils und/oder durch Schichten in der Halbleiterschichtenfolge 2 mit unterschiedlichen Ätzisotropien erreicht. Bei dem Ätzen kann es sich um ein isotropes oder anisotropes Nassätzen oder um ein gerichtetes Trockenätzen handeln.
In 3B ist gezeigt, dass nachfolgend ein Material für die Isolationsschicht 22 aufgebracht wird. Dieses Material wird beispielsweise an allen freiliegenden Flächen mit einer vergleichsweise großen Dicke aufgebracht.
Nachfolgend wird, siehe 3C, über ein gerichtetes Trockenätzen das Material für die Isolationsschicht 32 stellenweise wieder entfernt. Dabei wird dieses Material auf in 3 waagrechten Flächen und im Bereich des zukünftigen Kontaktbereichs vollständig entfernt, während an den steileren Mantelflächen des zukünftigen Basisbereichs eine Restpassivierung für die Isolationsschicht 32 verbleibt. Anschließend wird, nicht dargestellt, das Loch 6 mit einem oder mit mehreren Metallen verfüllt.
Gemäß 3 ist auch die erste Seite 21 der Halbleiterschichtenfolge aus zwei Schichten 21, 20 zusammengesetzt. Bei der Schicht 20 kann es sich um eine Stromaufweitungsschicht handeln.

Claims

Optoelektronischer Halbleiterchip (1) mit - einer Halbleiterschichtenfolge (2) mit einer ersten Seite (21) und einer zweiten Seite (23, 24) sowie einer dazwischen liegenden aktiven Zone (22), wobei die beiden Seiten unterschiedliche Leitfähigkeitstypen aufweisen, und - mindestens einer Durchkontaktierung (3), die von der ersten Seite (21) her durch die aktive Zone (22) hindurch die zweite Seite (23, 24) elektrisch kontaktiert, wobei - die Durchkontaktierung (3) einen Basisbereich (31) aufweist, der als Zylinder, Kegelstumpf oder als Pyramidenstumpf geformt ist und der in lateraler Richtung (L), senkrecht zu einer Wachstumsrichtung (G) der Halbleiterschichtenfolge (2), ringsum von einer elektrischen Isolationsschicht (32) umgeben ist, - die Durchkontaktierung (3) einen Kontaktbereich (33) aufweist, der als Kegelstumpf oder als Pyramidenstumpf oder als sphärischer oder asphärischer Körper geformt ist, der in Richtung parallel zur Wachstumsrichtung (G) dem Basisbereich (31) unmittelbar nachfolgt und der in direktem Kontakt mit der zweiten Seite (23, 24) steht, und - ein erster Flankenwinkel (a) des Basisbereichs (31) um mindestens 3° und um höchstens 25° größer ist als ein zweiter Flankenwinkel (b) des Kontaktbereichs (33), jeweils bezogen auf die laterale Richtung (L), sodass der erste Flankenwinkel (a) zwischen einschließlich 40° und 70° beträgt und der zweite Flankenwinkel (b) zwischen einschließlich 25° und 55° liegt, und - für eine Höhe h des Kontaktbereichs (33) und für einen mittleren Durchmesser d1 der Durchkontaktierung (3) an der Grenze zwischen dem Kontaktbereich (33) und dem Basisbereich (31) gilt: 7 ≤ d1/h ≤ 20.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Kontaktbereich (33) als Kegelstumpf oder als Pyramidenstumpf geformt ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Flankenwinkel (a) zwischen einschließlich 50° und 60° beträgt und der zweite Flankenwinkel (b) zwischen einschließlich 35° und 45° liegt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Höhe h des Kontaktbereichs (33), in Richtung parallel zur Wachstumsrichtung (G), zwischen einschließlich 0,05 µm und 4 pm beträgt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für die Höhe h des Kontaktbereichs (33) und für einen mittleren Durchmesser d1 der Durchkontaktierung (3) an der Grenze zwischen dem Kontaktbereich (33) und dem Basisbereich (31) gilt: 7 ≤ d1/h ≤ 10.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der mittlere Durchmesser d1 zwischen einschließlich 1 µm und 50 µm beträgt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Basishöhe H des Basisbereichs (31), in Richtung parallel zur Wachstumsrichtung (G), zwischen einschließlich 200 nm und 30 µm liegt, wobei für die Basishöhe H und die Höhe h des Kontaktbereichs (33) gilt: 0,2 ≤ H/h ≤ 40.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kontaktbereich (33) an einer Grenzfläche zur Halbleiterschichtenfolge (2) eines oder mehrerer der folgenden Materialien aufweist oder aus einem oder mehreren dieser Materialien besteht: Au, Ag, ITO, ZnO, Ni, Ge, Zn, Rh, Pd, Pt, Ti, wobei der Basisbereich (31) überwiegend aus einem oder mehreren der folgenden Materialien besteht: Ag, Au, ITO, ZnO, Ni, Ge, Zn, Rh, Pd, Pt, Ti, Sn, W.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in der aktiven Zone (22) eine Strahlung mit einer Hauptwellenlänge λ emittiert wird und hinsichtlich einer mittleren Dicke D der Isolationsschicht (32) gilt: D > λ/4n, wobei n der Brechungsindex der Isolationsschicht (32) bei der Hauptwellenlänge λ ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich die Isolationsschicht (32) in Richtung hin zum Kontaktbereich (33) verjüngt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine Vielzahl der Durchkontaktierungen (3) umfasst, wobei in Draufsicht gesehen mindestens 20 und höchstens 500 der Durchkontaktierungen (3) pro mm² vorhanden sind.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Halbleiterschichtenfolge (2) auf dem Materialsystem AlInGaP oder AlInGaAsP basiert.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite Seite p-dotiert ist und eine Dotierschicht (23) sowie eine höher dotierte Kontaktschicht (24) aufweist und die Dotierschicht (23) zwischen der Kontaktschicht (24) und der aktiven Zone (22) liegt, wobei die mindestens eine Durchkontaktierung (3) bis in die Kontaktschicht (24) reicht.