DE102015111301B4

DE102015111301B4 - Optoelektronischer Halbleiterchip

Info

Publication number: DE102015111301B4
Application number: DE102015111301.5A
Authority: DE
Inventors: Kai Gehrke
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2015-07-13
Filing date: 2015-07-13
Publication date: 2022-11-03
Anticipated expiration: 2035-07-14
Also published as: DE102015111301A1; CN107851691B; US10644201B2; WO2017009377A1; JP6558655B2; CN107851691A; US20180198028A1; JP2018519668A

Abstract

Optoelektronischer Halbleiterchip (1) mit- einem ersten Halbleiterbereich (21) eines ersten Leitfähigkeitstyps und einem zweiten Halbleiterbereich (23) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, zwischen denen eine aktiven Zone (22) liegt,- einer ersten elektrischen Kontaktschicht (31), die sich stellenweise direkt an dem ersten Halbleiterbereich (21) befindet und zur Stromeinprägung in diesen eingerichtet ist,- einer zweiten elektrischen Kontaktschicht (33), die sich stellenweise direkt an dem zweiten Halbleiterbereich (23) befindet und zur Stromeinprägung in diesen eingerichtet ist,- zumindest zwei metallischen Stromzuführungen (41, 43), und- einer Isolierschicht (5), die stellenweise direkt den zweiten Halbleiterbereich (23) bedeckt, sich über diesen erhebt und sich unter der Stromzuführung für den zweiten Halbleiterbereich (23) befindet, wobei- die beiden Kontaktschichten (31, 33) je aus einem transparenten leitfähigen Oxid hergestellt sind,- die erste Kontaktschicht (31) im Bereich der Isolierschicht (5) die zweite Kontaktschicht (33) direkt bedeckt und die Isolierschicht (5) überformt,- durch die Isolierschicht (5) eine Stromeinprägung von der Stromzuführung (43) für den zweiten Halbleiterbereich (23) in diesen in Richtung senkrecht zum zweiten Halbleiterbereich (23) unterbunden ist,- die zweite Kontaktschicht (33) eine laterale Stromaufweitung von dieser Stromzuführung (43) bewirkt, und- in Draufsicht gesehen, die erste Kontaktschicht (31) die Isolierschicht (5) seitlich um mindestens 200 nm und um höchstens 90 % einer Breite (B) der Isolierschicht (5) überragt.

Description

Es wird ein optoelektronischer Halbleiterchip angegeben.
Die Druckschriften US 2010 / 0 167 434 A1 und US 2008 / 0 185 606 A1 betreffen LED-Chips mit elektrischen Kontaktschichten aus einem transparenten leitfähigen Oxid, auf denen metallische Stromzuführungen aufgebracht sind.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen optoelektronischen Halbleiterchip mit einer hohen externen Quanteneffizienz anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Halbleiterchip mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 14 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem optoelektronischen Halbleiterchip um einen Leuchtdiodenchip, einen Laserdiodenchip oder um einen Fotodetektor. Besonders bevorzugt ist der Halbleiterchip ein Leuchtdiodenchip und zur Emission von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet. Beispielsweise emittiert der Halbleiterchip im bestimmungsgemäßen Gebrauch Strahlung mit einer Wellenlänge maximaler Intensität von mindestens 350 nm oder 400 nm und/oder von höchstens 550 nm oder 480 nm oder 460 nm.
Der optoelektronische Halbleiterchip umfasst eine Halbleiterschichtenfolge. 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.
Die Halbleiterschichtenfolge beinhaltet einen ersten Halbleiterbereich eines ersten Leitfähigkeitstyps und einen zweiten Halbleiterbereich eines zweiten, anderen Leitfähigkeitstyps. Leitfähigkeitstyp bezeichnet dabei n-leitend oder p-leitend. Bevorzugt ist der erste Halbleiterbereich n-dotiert und der zweite Halbleiterbereich p-dotiert.
Zwischen dem ersten Halbleiterbereich und dem zweiten Halbleiterbereich befindet sich eine aktive Zone. Die aktive Zone ist bevorzugt zur Erzeugung der von dem Halbleiterchip im Betrieb emittierten Strahlung eingerichtet. Damit sind die beiden Halbleiterbereiche sowie die dazwischenliegende aktive Zone entlang einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge übereinander gestapelt angeordnet. Bevorzugt grenzt die aktive Zone unmittelbar an die beiden Halbleiterbereiche.
Der optoelektronische Halbleiterchip umfasst eine erste elektrische Kontaktschicht. Die erste elektrische Kontaktschicht befindet sich stellenweise direkt an dem ersten Halbleiterbereich. Die elektrische Kontaktschicht ist ferner dazu eingerichtet, zur Stromeinprägung in den ersten Halbleiterbereich zu dienen. Insbesondere ist damit die erste elektrische Kontaktschicht hinsichtlich eines elektrischen Kontaktwiderstands und hinsichtlich einer elektrischen Austrittsarbeit entsprechend an den ersten Halbleiterbereich angepasst. Insbesondere erfolgt eine Stromeinprägung unmittelbar in den ersten Halbleiterbereich ausschließlich über die erste elektrische Kontaktschicht.
Der Halbleiterchip beinhaltet eine zweite elektrische Kontaktschicht, die sich stellenweise direkt an dem zweiten Halbleiterbereich befindet und die zur Stromeinprägung in den zweiten Halbleiterbereich eingerichtet ist. Insbesondere erfolgt eine Stromeinprägung direkt in den zweiten Halbleiterbereich ausschließlich über die zweite elektrische Kontaktschicht.
Der Halbleiterchip beinhaltet zumindest zwei metallische Stromzuführungen. Metallisch bedeutet insbesondere, dass die Stromzuführungen aus einem oder mehreren Metallen bestehen und eine ohmsche Stromleitcharakteristik aufzeigen. Bei den Stromzuführungen kann es sich um Kontaktmetallisierungen handeln. Bevorzugt befinden sich die Stromzuführungen unmittelbar an der ersten elektrischen Kontaktschicht, bevorzugt ausschließlich an der ersten elektrischen Kontaktschicht. Eine Stromeinprägung in die erste und/oder zweite elektrische Kontaktschicht erfolgt bevorzugt ausschließlich mittels der Stromzuführungen. Insbesondere ist eine der Stromzuführungen als Anodenkontakt und eine weitere der Stromzuführungen als Kathodenkontakt eingerichtet. Über die Stromzuführungen ist der optoelektronische Halbleiterchip extern elektrisch kontaktierbar.
Der Halbleiterchip umfasst zumindest eine elektrische Isolierschicht. Durch die elektrische Isolierschicht hindurch ist im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Halbleiterchips ein Stromfluss unterbunden. Die Isolierschicht befindet sich stellenweise direkt an dem zweiten Halbleiterbereich und bedeckt somit den zweiten Halbleiterbereich stellenweise.
Die Isolierschicht erhebt sich über den zweiten Halbleiterbereich. Dies kann bedeuten, dass die Isolierschicht auf den zweiten Halbleiterbereich aufgebracht ist, ohne dass in dem zweiten Halbleiterbereich eine Ausnehmung oder eine Senke für den Isolierbereich vorgesehen ist. Sind verbleibende Gebiete des zweiten Halbleiterbereichs, auf denen sich die Isolierschicht nicht befindet, mit einer Aufrauung beispielsweise zur Verbesserung einer Lichtauskoppeleffizienz versehen, so erhebt sich die Isolierschicht über eine solche Aufrauung.
Die Isolierschicht befindet sich unter derjenigen Stromzuführung, über die der zweite Halbleiterbereich elektrisch angeschlossen ist. Mit anderen Worten liegt dann die Isolierschicht zwischen dem zweiten Halbleiterbereich und der zugehörigen Stromzuführung. Dabei weist die Isolierschicht bevorzugt keinen unmittelbaren physischen Kontakt zu dieser Stromzuführung auf. Insbesondere liegt zwischen dieser Stromzuführung und der Isolierschicht sowohl ein Material der ersten elektrischen Kontaktschicht als auch ein Material der zweiten elektrischen Kontaktschicht.
Die beiden Kontaktschichten sind je aus einem oder aus mehreren transparenten leitfähigen Oxiden hergestellt, auch bezeichnet als Transparent Conductive Oxide oder kurz TCO. Transparente leitende Oxide sind in der Regel Metalloxide, wie beispielsweise Zinkoxid, Zinnoxid, Cadmiumoxid, Titanoxid, Indiumoxid oder Indiumzinnoxid (ITO). Neben binären Metallsauerstoffverbindungen, wie ZnO, SnO₂ oder In₂O₃ gehören auch ternäre Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise Zn₂SnO₄, CdSnO₃, ZnSnO₃, MgIn₂O₄, GaInO₃, Zn₂In₂O₅ oder In₄Sn₃O₁₂ oder Mischungen unterschiedlicher transparenter leitender Oxide zu der Gruppe der TCOs. Weiterhin entsprechen die TCOs nicht zwingend einer stöchiometrischen Zusammensetzung und können auch p-dotiert oder n-dotiert sein.
Die erste Kontaktschicht bedeckt im Bereich der Isolierschicht die zweite Kontaktschicht. Dabei liegt die zweite Kontaktschicht bevorzugt unmittelbar auf der Isolierschicht und die erste Kontaktschicht unmittelbar auf der zweiten Kontaktschicht. Somit erfolgt eine Stromeinprägung von der metallischen Stromzuführung für den zweiten Halbleiterbereich in die erste Kontaktschicht, von dort aus in die zweite Kontaktschicht und von dort aus in lateraler Richtung versetzt in den zweiten Halbleiterbereich.
Die erste Kontaktschicht überformt die Isolierschicht. Mit anderen Worten ist die Erhebung, die durch die Isolierschicht über dem zweiten Halbleiterbereich gebildet ist, kappenartig oder deckenartig von der ersten Kontaktschicht abgedeckt. Insbesondere befindet sich dann über der gesamten Isolierschicht, in Draufsicht gesehen, ein Material der ersten Kontaktschicht und bevorzugt auch ein Material der zweiten Kontaktschicht.
Der optoelektronische Halbleiterchip umfasst somit einen ersten Halbleiterbereich eines ersten Leitfähigkeitstyps und einen zweiten Halbleiterbereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps. Zwischen diesen beiden Halbleiterbereichen befindet sich eine aktive Zone, die bevorzugt zur Erzeugung von sichtbarem Licht eingerichtet ist. Eine erste elektrische Kontaktschicht befindet sich stellenweise direkt an dem ersten Halbleiterbereich und ist zur Stromeinprägung in diesen eingerichtet. Ferner befindet sich eine zweite elektrische Kontaktschicht stellenweise direkt an dem zweiten Halbleiterbereich, wobei der zweite Halbleiterbereich über die zweite Kontaktschicht bestromt wird. Weiterhin beinhaltet der Halbleiterchip zwei metallische Stromzuführungen und eine Isolierschicht. Die Isolierschicht bedeckt stellenweise direkt den zweiten Halbleiterbereich und erhebt sich über diesen. Ferner befindet sich die Isolierschicht unter der Stromzuführung für den zweiten Halbleiterbereich. Dabei sind die beiden Kontaktschichten je aus einem transparenten leitfähigen Oxid hergestellt und die erste Kontaktschicht überformt im Bereich der Isolierschicht die zweite Kontaktschicht direkt und auch die Isolierschicht selbst.
Speziell Leuchtdiodenchips, kurz LED-Chips, die Saphir-Aufwachssubstrate umfassen, weisen elektrische Isolierschichten auf, durch die ein unmittelbarer Stromfluss von einer metallischen Stromzuführung hin in eine Halbleiterschichtenfolge verhindert wird. Durch solche Isolierschichten ist verhindert, dass direkt unter den metallischen Stromzuführungen Licht erzeugt wird. Würde in diesem Bereich Licht erzeugt, würde dies nur zu einem geringen Anteil aus dem LED-Chip ausgekoppelt werden. Zudem absorbieren metallische Strukturen vergleichsweise stark. Um eine laterale Stromaufweitung zu erzielen, sind solche Isolierschichten mit einer transparenten leitenden Schicht überformt, wobei eine solche Schicht eine Kontaktschicht für den entsprechenden Halbleiterbereich darstellt. Kontaktschichten aus transparenten leitfähigen Oxiden weisen jedoch bei einer hohen elektrischen Leitfähigkeit eine vergleichsweise geringe Lichtdurchlässigkeit auf und umgekehrt. Damit ist zu einer hohen Lichtauskoppeleffizienz eine dünne Kontaktschicht vorteilhaft, um eine Strahlungsabsorption zu reduzieren. Jedoch treten bei dünnen Kontaktschichten Probleme bei der Überformung der Isolierschicht auf, sodass ein elektrischer Kontakt zwischen der Kontaktschicht und der metallischen Stromzuführung im Bereich der Isolierschicht unterbrochen sein kann, was zu einer geringen Ausbeute bei der Herstellung der Halbleiterchips führen kann.
Bei dem hier beschriebenen Halbleiterchip kann die zweite Kontaktschicht, die sich flächig über den zweiten Halbleiterbereich erstreckt, erheblich dünner gewählt werden, da die Isolierschicht von der ersten Kontaktschicht lokal zusätzlich überformt wird. Selbst wenn kein durchgehender elektrischer Kontakt durch die zweite Kontaktschicht von der Stromzuführung hin in den zweiten Halbleiterbereich erzielbar ist, wird dies durch die die Isolierschicht überformende erste Kontaktschicht sichergestellt.
Durch die Isolierschicht ist eine Stromeinprägung von der Stromzuführung für den zweiten Halbleiterbereich in den zweiten Halbleiterbereich hinein in Richtung senkrecht zum zweiten Halbleiterbereich unterbunden. Mit anderen Worten wird durch diese Stromzuführung dann Strom in die zweite Kontaktschicht eingeprägt und die zweite Kontaktschicht weitet den Strom in einer lateralen Richtung über den zweiten Halbleiterbereich hinweg auf. Damit ist eine flächige Bestromung des zweiten Halbleiterbereichs möglich. Eine elektrische Leitfähigkeit in lateraler Richtung, also in Richtung senkrecht zu einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge, ist dabei in der zweiten Kontaktschicht bevorzugt um mindestens einen Faktor 10 oder einen Faktor 100 größer als in dem zweiten Halbleiterbereich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform überragt die erste Kontaktschicht die Isolierschicht, in Draufsicht gesehen, seitlich um mindestens 200 nm oder 0,5 µm oder 1 µm oder 5 µm. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Überstand der ersten Kontaktschicht über die Isolierschicht, in Draufsicht gesehen, bei höchstens 100 µm oder 50 µm oder 20 µm oder 10 µm. Ferner ist es alternativ oder zusätzlich möglich, dass dieser Überstand der ersten Kontaktschicht über die Isolierschicht, wiederum in Draufsicht gesehen, bei mindestens 1 % oder 5 % oder 15 % oder 20 % und/oder bei höchstens 150 % oder 90 % oder 60 % einer mittleren Breite der Isolierschicht liegt. Durch einen solchen Überstand der ersten Kontaktschicht über die Isolierschicht, in Draufsicht gesehen, ist es möglich, dass eine Stromeinprägung in den zweiten Halbleiterbereich einerseits sichergestellt ist und andererseits Absorptionsverluste durch die erste Kontaktschicht gering gehalten sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform läuft die erste Kontaktschicht, im Querschnitt gesehen und ausgehend von der Isolierschicht, keilförmig und sich kontinuierlich verdünnend aus. Mit anderen Worten reduziert sich eine Dicke der ersten Kontaktschicht in Richtung weg von der Isolierschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt die Breite der Isolierschicht bei mindestens 5 µm oder 20 µm, in Draufsicht gesehen. Alternativ oder zusätzlich liegt die Breite der Isolierschicht bei höchstens 0,2 mm oder 0,1 mm oder 50 µm oder 30 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Dicke der ersten Kontaktschicht um mindestens einen Faktor 2 oder 3 oder 5 größer als eine Dicke der zweiten Kontaktschicht. Alternativ oder zusätzlich übersteigt die Dicke der ersten Kontaktschicht die Dicke der zweiten Kontaktschicht um höchstens einen Faktor 20 oder 15 oder 10.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Dicken der beiden Kontaktschichten je kleiner als eine Dicke der Isolierschicht. Dabei übersteigt die Dicke der Isolierschicht die Dicke der ersten Kontaktschicht bevorzugt um mindestens einen Faktor 1,5 oder 2 oder 3 und/oder um höchstens einen Faktor 5 oder 3,5 oder 2.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt die Dicke der ersten Kontaktschicht bei mindestens 30 nm oder 50 nm oder 100 nm und/oder bei höchstens 500 nm oder 300 nm oder 150 nm. Es kann auch gelten, dass die Dicke der zweiten Kontaktschicht bei mindestens 5 nm oder 10 nm oder 15 nm liegt und/oder bei höchstens 100 nm oder 70 nm oder 50 nm oder 30 nm. Mit anderen Worten ist die zweite Kontaktschicht dann vergleichsweise dünn gestaltet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Isolierschicht eine Dicke auf, die bei mindestens 70 nm oder 100 nm oder 150 nm liegt. Alternativ oder zusätzlich beträgt die Dicke der Isolierschicht höchstens 1 µm oder 500 nm oder 300 nm. Insbesondere ist die Dicke der Isolierschicht so gewählt, dass die Dicke eine Eindringtiefe eines evaneszenten Feldes von Licht, das an der Isolierschicht totalreflektiert wird und das in dem Halbleiterchip im Betrieb erzeugt wird, übersteigt. Die Eindringtiefe des Lichts ist dabei insbesondere diejenige Tiefe, bei der eine Strahlungsintensität auf 1/e abgefallen ist. Die Isolierschicht kann auch als Bragg-Spiegel ausgebildet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein Material der ersten Kontaktschicht eine kleinere mittlere Korngröße auf als ein Material der zweiten Kontaktschicht. Beispielsweise liegt eine mittlere Korngröße des Materials der ersten Kontaktschicht bei mindestens 5 nm oder 10 nm und/oder bei höchstens 50 nm oder 20 nm. Weiterhin kann gelten, dass eine Korngröße des Materials der zweiten Kontaktschicht bei mindestens 1 nm oder 100 nm oder 200 nm oder 1 µm und/oder bei höchstens 2 µm oder 1 µm oder 0,5 µm oder 2 nm liegt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die erste Kontaktschicht und die zweite Kontaktschicht aus demselben Basismaterial hergestellt. Bei dem Basismaterial handelt es sich beispielsweise um Zinkoxid oder um Indium-Zinn-Oxid.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform unterscheiden sich die beiden Kontaktschichten in einer oder mehreren der folgenden Eigenschaften voneinander: Dotierung, mittlere Korngröße, elektrische Leitfähigkeit, elektrischer Kontaktwiderstand, Oberflächenrauigkeit. Beispielsweise weist die zweite Kontaktschicht eine größere Oberflächenrauigkeit auf als die erste Kontaktschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind beide Kontaktschichten aus Indium-Zinn-Oxid hergestellt. Dabei liegt ein Zinnanteil je bevorzugt bei mindestens 3 % oder 5 % und/oder bei höchstens 10 % oder 8 %. In diesem Fall weist die erste Kontaktschicht bevorzugt einen höheren Zinnanteil auf als die zweite Kontaktschicht, beispielsweise einen um mindestens 0,5 Prozentpunkte oder um mindestens 1 Prozentpunkt erhöhten Zinnanteil. Die Zinnanteile beziehen sich hierbei insbesondere auf Masseprozent.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Isolierschicht aus einem elektrisch isolierenden Oxid, Nitrid oder Oxinitrid hergestellt. Insbesondere ist die Isolierschicht aus Siliziumdioxid oder Aluminiumnitrid gefertigt. Dabei ist ein Material der Isolierschicht bevorzugt durchlässig für die in dem Halbleiterchip im Betrieb erzeugte Strahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die beiden Kontaktschichten aus voneinander verschiedenen Materialien hergestellt. Beispielsweise beinhaltet dann eine der Kontaktschichten Indium-Zinn-Oxid, kurz ITO, und die andere Kontaktschicht Zinkoxid.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Isolierschicht, im Querschnitt gesehen und in Richtung weg von dem zweiten Halbleiterbereich, bis mindestens hin zu einer mittleren Dicke der Isolierschicht kontinuierlich schmäler. Dabei ist die Isolierschicht bevorzugt frei von Unterschnitten. Unterschnitt kann bedeuten, dass in Draufsicht gesehen nicht gesamte Seitenflächen der Isolierschicht sichtbar sind. Alternativ ist es möglich, dass die Isolierschicht, etwa bedingt durch ein Herstellungsverfahren, einen Unterschnitt aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform bedeckt die erste Kontaktschicht die beiden Halbleiterbereiche, in Draufsicht gesehen, zu höchstens 20 % oder 10 % oder 5 %. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Bedeckungsgrad bei mindestens 0,5 % oder 1 % oder 2 %. Mit anderen Worten ist die Halbleiterschichtenfolge dann in Draufsicht gesehen, mit Ausnahme eines Kontaktbereichs für den ersten Halbleiterbereich, im Wesentlichen frei von der ersten Kontaktschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform bedeckt die zweite Kontaktschicht den zweiten Halbleiterbereich, in Draufsicht gesehen, zu mindestens 90 % oder 95 % oder auch vollständig. Hierdurch ist eine effiziente Stromaufweitung in lateraler Richtung durch die zweite Kontaktschicht gewährbar. Dabei ist es möglich, dass Kanten des zweiten Halbleiterbereichs frei von der zweiten Kontaktschicht und auch frei von der ersten Kontaktschicht sind. Hierdurch ist es möglich, dass eine Bestromung des zweiten Halbleiterbereichs nahe solcher Kanten verhindert wird. Beispielsweise sind die Kanten in einem Streifen mit einer Breite von mindestens 1 µm oder 2 µm und/oder von höchstens 5 µm oder 3 µm frei von der zweiten Kontaktschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterchip einen n-Kontaktbereich auf, in dem die erste Kontaktschicht den ersten Halbleiterbereich berührt und in dem Strom in den ersten Halbleiterbereich eingeprägt wird. Der n-Kontaktbereich ist ringsum von dem zweiten Halbleiterbereich umgeben, in Draufsicht gesehen. Mit anderen Worten befindet sich der n-Kontaktbereich in einer Ausnehmung des zweiten Halbleiterbereichs. Alternativ ist es möglich, dass sich der n-Kontaktbereich an einem Rand der Halbleiterschichtenfolge befindet, in Draufsicht gesehen. Es ist auch möglich, dass mehr als ein n-Kontaktbereich vorliegt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform bildet die Stromzuführung für den zweiten Halbleiterbereich eine Stromaufweitungsstruktur. Beispielsweise ist die Stromzuführung für den zweiten Halbleiterbereich in Form von Stegen ausgebildet, die sich über die Halbleiterschichtenfolge erstrecken. Dabei bedeckt die Stromzuführung die Halbleiterschichtenfolge, in Draufsicht gesehen, bevorzugt zu höchstens 10 % oder 5 % und/oder zu mindestens 2 % oder 4 %.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform folgen im Bereich der Isolierschicht und in Richtung senkrecht zum zweiten Halbleiterbereich die nachfolgend genannten Komponenten in der angegebenen Reihenfolge unmittelbar aufeinander: erster Halbleiterbereich, aktive Zone, zweiter Halbleiterbereich, Isolierschicht, zweite Kontaktschicht, erste Kontaktschicht, metallische Stromzuführung für den zweiten Halbleiterbereich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterchip in einem elektrischen Kontaktbereich für den ersten Halbleiterbereich die folgenden Komponenten auf, die in Richtung senkrecht zum ersten Halbleiterbereich in der angegebenen Reihenfolge unmittelbar aufeinanderfolgen: erster Halbleiterbereich, erste Kontaktschicht, metallische Stromzuführung für den ersten Halbleiterbereich.
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:

1A, 2, 3 und 4 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchips, und
1B eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchips.

In 1A ist in einer Schnittdarstellung und in 1B in einer Draufsicht schematisch ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips 1 gezeigt.
Auf einem Träger 6, bei dem es sich um ein Aufwachssubstrat handeln kann, ist eine Halbleiterschichtenfolge 2 angebracht. Die Halbleiterschichtenfolge 2 umfasst einen n-dotierten ersten Halbleiterbereich 21 und einen p-dotierten zweiten Halbleiterbereich 23. Zwischen den Halbleiterbereichen 21, 23 befindet sich eine aktive Zone 22 zur Erzeugung von Licht, insbesondere von blauem Licht. Die Halbleiterschichtenfolge 2 basiert auf dem Materialsystem AlInGaN. Eine Dicke der Halbleiterschichtenfolge 2 liegt beispielsweise bei ungefähr 8 µm.
Die Halbleiterschichtenfolge 2 wird über metallische, elektrische Stromzuführungen 41, 43 extern elektrisch kontaktiert. Die Stromzuführungen 41, 43 weisen bevorzugt mehrere Metalle auf und sind insbesondere Mehrschichtsysteme aus Aluminium, Gold, Platin, Titan, Ruthenium und/oder Wolfram. Über die erste Stromzuführung 41 erfolgt eine Bestromung des n-dotierten ersten Halbleiterbereichs und über die zweite Stromzuführung 43 des zweiten p-dotierten Halbleiterbereichs 23.
Auf dem zweiten Halbleiterbereich 23 befindet sich eine elektrische Isolierschicht 5, insbesondere aus Siliziumdioxid. Die Isolierschicht 5 befindet sich zwischen dem zweiten Halbleiterbereich 23 und der zweiten Stromzuführung 43. Durch die Isolierschicht 5 ist verhindert, dass in Draufsicht gesehen unterhalb der zweiten Stromzuführung 43 in der aktiven Zone 22 Strahlung erzeugt wird.
Im Querschnitt gesehen ist die Isolierschicht 5 symmetrisch geformt, bezüglich einer Achse senkrecht zu der aktiven Zone 22. Gemäß 1A weist die Isolierschicht 5 eine trapezförmige Gestalt auf und verjüngt sich in Richtung weg von dem zweiten Halbleiterbereich 23. Eine Breite B der Isolierschicht 5 direkt an dem zweiten Halbleiterbereich 23 liegt beispielsweise bei ungefähr 20 µm und eine Dicke D5 der Isolierschicht 5 liegt beispielsweise bei ungefähr 250 nm. Die Isolierschicht 5 ist aus einem lichtdurchlässigen Material gebildet und weist für die in der Halbleiterschichtenfolge 2 erzeugte Strahlung bevorzugt einen Absorptionskoeffizienten von höchstens 400/cm oder 120/cm auf. Beispielsweise wird dann durch die Isolierschicht höchstens 0,3 % oder 1 % der Strahlung absorbiert.
Eine laterale Stromaufweitung über den zweiten Halbleiterbereich 23 hinweg erfolgt durch eine zweite Kontaktschicht 33, die flächig auf den zweiten Halbleiterbereich 23 aufgebracht ist. Die in der Halbleiterschichtenfolge 2 erzeugte Strahlung tritt mindestens zum Teil durch die zweite Kontaktschicht 33 hindurch aus dem Halbleiterchip 1 aus. Die zweite Kontaktschicht 33 ist insbesondere aus ITO hergestellt.
Um eine hohe Transparenz der zweiten Kontaktschicht 33 und um damit eine hohe Auskoppeleffizienz von Strahlung aus dem Halbleiterchip 1 zu erzielen, weist die zweite Kontaktschicht 33 an einer Strahlungsaustrittsseite 20 der Halbleiterschichtenfolge 2 nur eine geringe Dicke D3 auf. Bevorzugt liegt die Dicke D3 bei ungefähr 15 nm bis 60 nm, insbesondere bei ungefähr 20 nm. Aufgrund der geringen Dicke der zweiten Kontaktschicht 33 ist es problematisch, die sich über den zweiten Halbleiterbereich 23 erhebende Isolierschicht 5 zu überformen, ohne dass Brüche oder Risse in der zweiten Kontaktschicht 33 entstehen. Über solche Risse wäre eine elektrische Leitung von der Stromzuführung 43 hin in den zweiten Halbleiterbereich 23 gefährdet, falls lediglich die zweite Kontaktschicht 33 vorhanden wäre.
Um eine elektrische Verbindung zwischen dem zweiten Halbleiterbereich 23 und der zweiten Stromzuführung 43 zu gewährleisten, ist die Isolierschicht 5 zusätzlich mit einer ersten Kontaktschicht 31 überformt. Bei der ersten Kontaktschicht 31 handelt es sich um eine Kontaktschicht, die für einen n-Kontakt hin zum ersten Halbleiterbereich 21 vorgesehen ist. An einem n-Kontaktbereich, der sich in einer Ausnehmung des zweiten Halbleiterbereichs 23 befindet, ist die erste Kontaktschicht 31 lokal unmittelbar auf den ersten Halbleiterbereich 21 aufgebracht. Der ersten Kontaktschicht 31 folgt in diesem n-Kontaktbereich unmittelbar die erste Stromzuführung 41 nach.
Eine Dicke D1 der ersten Kontaktschicht 31 übersteigt die Dicke D3 der zweiten Kontaktschicht 33 bevorzugt um mindestens einen Faktor 3. Insbesondere liegt die Dicke D1 der ersten Kontaktschicht 31 bei ungefähr 100 nm bis 150 nm. Die erste Kontaktschicht 31 überformt die Isolierschicht 5 vollständig und erstreckt sich, in Draufsicht gesehen, stellenweise neben die Isolierschicht 5. Damit ist sichergestellt, dass eine zuverlässige elektrische Verbindung zwischen der zweiten Stromzuführung 43 und der zweiten Kontaktschicht 33 an der Strahlungsaustrittsseite 20 gegeben ist.
In Richtung weg von der Isolierschicht 5 läuft die erste Kontaktschicht 31 an der Strahlungsaustrittsseite 20 kontinuierlich aus. Mit anderen Worten weist die erste Kontaktschicht 31 in Bereichen, die in Draufsicht gesehen neben der Isolierschicht 5 liegen, einen dreieckigen Querschnitt auf, wobei eine größte Breite nahe der Isolierschicht 5 vorliegt. Von der ersten Kontaktschicht 31 aus erfolgt keine Stromeinprägung direkt in den zweiten Halbleiterbereich 23, sondern lediglich in die zweite Kontaktschicht 33.
Die erste Kontaktschicht 31 befindet sich in dem n-Kontaktbereich bevorzugt vollständig in einer Ausnehmung in dem zweiten Halbleiterbereich 23. Diese Ausnehmung weist, in Draufsicht gesehen, beispielsweise einen rechteckigen Grundriss auf. Abweichend von der Darstellung in 1B kann diese Ausnehmung auch an einen Rand der Halbleiterschichtenfolge 2 gerückt sein, in Draufsicht gesehen. Ebenso kann eine Grundfläche der Ausnehmung, abweichend von 1B, auch rund oder oval oder hexagonal gestaltet sein. Die erste Stromzuführung 41 überragt bevorzugt die Ausnehmung in dem zweiten Halbleiterbereich 23.
Die zweite Stromzuführung 43 ist bevorzugt streifenförmig gestaltet und somit zu einer Stromverteilung über die Strahlungsaustrittsseite 20 hinweg eingerichtet. In einem Bereich, in dem in 1B vertikal und horizontal verlaufende Stege der zweiten Stromzuführung 43 zusammenstoßen, kann die zweite Stromzuführung 43 eine Verbreiterung aufweisen, in der beispielsweise ein Bonddraht, nicht gezeichnet, anbringbar ist.
Die zweite Stromzuführung 43 ist bevorzugt, in Draufsicht gesehen, ringsum von einem Material der ersten Kontaktschicht 31 umgeben. Zwischen der ersten Kontaktschicht 31 an der Isolierschicht 5 und der ersten Kontaktschicht 31 an dem n-Kontaktbereich besteht keine unmittelbare elektrische Verbindung, sondern lediglich eine elektrische Verbindung mittelbar durch die aktive Zone 22 hindurch.
Bei dem Halbleiterchip 1, wie in 1 dargestellt, wird bevorzugt zuerst die zweite Kontaktschicht 33 aufgebracht und erst nachfolgend die erste Kontaktschicht 31. Beim Aufbringen der ersten Kontaktschicht 31 wird eine Maske entsprechend geformt, sodass die erste Kontaktschicht 31 passend strukturiert aufgebracht wird. Ein Flankenwinkel der ersten Kontaktschicht 31 an der Isolierschicht 5 ist beispielsweise mittels Fotomasken mit Hinterschneidungen einstellbar, wobei die Kontaktschichten 31, 33 dann bevorzugt mittels Sputtern aufgebracht werden. Solche Masken mit Hinterschneidungen sind beispielsweise aus der Druckschrift WO 2015/078919 A1 bekannt.
Die beiden Kontaktschichten 31, 33 sind zum Beispiel beide aus ITO gebildet. Jedoch werden die beiden Kontaktschichten 31, 33 bevorzugt mit unterschiedlichen Verfahrensparametern aufgebracht, sodass die erste Kontaktschicht 31 als n-Kontakt erzeugt wird und die zweite Kontaktschicht 33 als p-Kontakt.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Halbleiterchips 1 illustriert. Abweichend von 1 weist die Isolierschicht 5 einen näherungsweise rechteckigen Querschnitt auf. Hierdurch ist es möglich, dass Seitenflächen der Isolierschicht 5 von der relativ dünnen zweiten Kontaktschicht 43 nur teilweise bedeckt sind. Eine elektrische Verbindung über die Seitenflächen der Isolierschicht 5 hinweg ist durch die im Querschnitt gesehen näherungsweise trapezförmig gestaltete erste Kontaktschicht 31 erzielt.
Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist es möglich, dass die Isolierschicht 5 eine größere Breite aufweist als die zweite Stromzuführung 43. Somit wird die Stromzuführung 43, in Draufsicht gesehen, ringsum von der Isolierschicht 5 überragt.
Beim Ausführungsbeispiel des Halbleiterchips 1, wie in 3 gezeigt, weist die Isolierschicht 5 im Querschnitt gesehen einen Unterschnitt auf. Mit anderen Worten bedeckt im Bereich des Unterschnitts ein Material der Isolierschicht 5 einen anderen Abschnitt der Seitenfläche der Isolierschicht 5, in Draufsicht gesehen. Entsprechend kann im Bereich des Unterschnitts an der Isolierschicht 5 kein Material der zweiten Kontaktschicht 33 abgeschieden werden, da die zweite Kontaktschicht 33 nur dünn gestaltet ist. Das Überformen auch des Unterschnitts erfolgt durch die deutlich dickere erste Kontaktschicht 31. Zum Beispiel weist die erste Kontaktschicht 31 dabei im Bereich der Isolierschicht 5 näherungsweise einen rechteckigen Umriss auf. Hierdurch überragt die zweite Kontaktschicht 31 die Isolierschicht 5 nur vergleichsweise wenig.
Beim Ausführungsbeispiel, wie in Verbindung mit 4 dargestellt, weist die erste Kontaktschicht 31 an der Isolierschicht 5 vergleichsweise große Ausläufer auf, die sich relativ weit auf die Strahlungsaustrittsseite 20 erstrecken. Dadurch ist ein vergleichsweise sanfter Übergang von der ersten Kontaktschicht 31 hin zur zweiten Kontaktschicht 33 erzielbar. Ein Ausläufer der ersten Kontaktschicht 31 über die Isolierschicht 5 hinaus, in Draufsicht gesehen, liegt bei ungefähr 50 % einer Breite der Isolierschicht 5. Es läuft die zweite Kontaktschicht 31 näherungsweise an beiden Seiten der Isolierschicht 5 symmetrisch und in gleicher Weise aus. Solche Ausläufer aus der ersten Kontaktschicht 31 können auch in allen anderen Ausführungsbeispielen vorhanden sein.
In den 1 bis 4 ist die Isolierschicht 5 jeweils als eine einzelne Schicht dargestellt. Abweichend hiervon ist es jeweils möglich, dass die Isolierschicht 5 aus mehreren Teilschichten zusammengesetzt ist. Beispielsweise kann die Isolierschicht 5 dann einen Bragg-Spiegel zur verbesserten Reflexion von Strahlung aufweisen. Die Kontaktschichten 31, 33 sind besonders bevorzugt je nur aus einer einzigen Schicht gebildet. Optional ist es aber abweichend von der Darstellung möglich, dass eine oder beide Kontaktschichten 31, 33 aus mehreren Teilschichten zusammengesetzt sind.
Bezugszeichenliste

1: optoelektronischer Halbleiterchip
2: Halbleiterschichtenfolge
20: Strahlungsaustrittsseite
21: erster, n-dotierter Halbleiterbereich
22: aktive Zone
23: zweiter, p-dotierter Halbleiterbereich
31: erste elektrische Kontaktschicht aus einem TCO
33: zweite elektrische Kontaktschicht aus einem TCO
41: Stromzuführung für den n-dotierten Halbleiterbereich
43: Stromzuführung für den p-dotierten Halbleiterbereich
5: Isolierschicht
6: Träger
B: Breite der Isolierschicht
D1: Dicke der ersten Kontaktschicht
D3: Dicke der zweiten Kontaktschicht
D5: Dicke der Isolierschicht

Claims

Optoelektronischer Halbleiterchip (1) mit - einem ersten Halbleiterbereich (21) eines ersten Leitfähigkeitstyps und einem zweiten Halbleiterbereich (23) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, zwischen denen eine aktiven Zone (22) liegt, - einer ersten elektrischen Kontaktschicht (31), die sich stellenweise direkt an dem ersten Halbleiterbereich (21) befindet und zur Stromeinprägung in diesen eingerichtet ist, - einer zweiten elektrischen Kontaktschicht (33), die sich stellenweise direkt an dem zweiten Halbleiterbereich (23) befindet und zur Stromeinprägung in diesen eingerichtet ist, - zumindest zwei metallischen Stromzuführungen (41, 43), und - einer Isolierschicht (5), die stellenweise direkt den zweiten Halbleiterbereich (23) bedeckt, sich über diesen erhebt und sich unter der Stromzuführung für den zweiten Halbleiterbereich (23) befindet, wobei - die beiden Kontaktschichten (31, 33) je aus einem transparenten leitfähigen Oxid hergestellt sind, - die erste Kontaktschicht (31) im Bereich der Isolierschicht (5) die zweite Kontaktschicht (33) direkt bedeckt und die Isolierschicht (5) überformt, - durch die Isolierschicht (5) eine Stromeinprägung von der Stromzuführung (43) für den zweiten Halbleiterbereich (23) in diesen in Richtung senkrecht zum zweiten Halbleiterbereich (23) unterbunden ist, - die zweite Kontaktschicht (33) eine laterale Stromaufweitung von dieser Stromzuführung (43) bewirkt, und - in Draufsicht gesehen, die erste Kontaktschicht (31) die Isolierschicht (5) seitlich um mindestens 200 nm und um höchstens 90 % einer Breite (B) der Isolierschicht (5) überragt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die erste Kontaktschicht (31), im Querschnitt gesehen und ausgehend von der Isolierschicht (5), sich kontinuierlich verdünnt und keilförmig ausläuft, wobei die erste Kontaktschicht (31), in Draufsicht gesehen, die Isolierschicht (5) seitlich um mindestens 15 % der Breite (B) überragt, und wobei die Breite (B) zwischen einschließlich 5 µm und 100 µm beträgt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Dicke (D1) der ersten Kontaktschicht (31) um mindestens einen Faktor 3 und um höchstens einen Faktor 20 größer ist als eine Dicke (D3) der zweiten Kontaktschicht (33), wobei die Dicken (D1, D3) der Kontaktschichten (31, 33) je kleiner sind als eine Dicke (D5) der Isolierschicht (5) .
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Dicke (D1) der ersten Kontaktschicht (31) zwischen einschließlich 50 nm und 500 nm und die Dicke (D3) der zweiten Kontaktschicht (33) zwischen einschließlich 5 nm und 70 nm liegt, wobei die Dicke (D5) der Isolierschicht (5) zwischen einschließlich 100 nm und 1 µm liegt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Material der ersten Kontaktschicht (31) eine kleinere mittlere Korngröße aufweist als ein Material der zweiten Kontaktschicht (33).
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die beiden Kontaktschichten (31, 33) aus demselben Basismaterial hergestellt sind, sich jedoch in mindestens einer der folgenden Eigenschaften unterscheiden: Dotierung, mittlere Korngröße, elektrische Leitfähigkeit, elektrischer Kontaktwiderstand, Oberflächenrauigkeit.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die beiden Kontaktschichten (31, 33) aus Indium-Zinn-Oxid hergestellt sind mit einem Zinn-Anteil von mindestens 3 % und höchstens 10 %, wobei die Isolierschicht (5) aus Siliziumdioxid hergestellt ist und die Halbleiterbereiche (21, 23) sowie die aktive Zone (22) auf dem Materialsystem AlInGaN basieren.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die beiden Kontaktschichten (31, 33) aus voneinander verschiedenen Materialien hergestellt sind.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich die Isolierschicht (5), im Querschnitt gesehen, in Richtung weg von dem zweiten Halbleiterbereich (23) bis hin zu einer mittleren Dicke (D5) der Isolierschicht (5) kontinuierlich schmäler wird und frei von Unterschnitten ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Kontaktschicht (31) die beiden Halbleiterbereiche (21, 23), in Draufsicht gesehen, zu höchstens 20 % bedeckt, wobei die zweite Kontaktschicht (33) den zweiten Halbleiterbereich (23), in Draufsicht gesehen, zu mindestens 90 % bedeckt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Kontaktschicht (31) nur in einem n-Kontaktbereich direkt nur an den ersten Halbleiterbereich (21), der n-dotiert ist, und an die Stromzuführung (41) grenzt, wobei die erste Kontaktschicht (31) an der Isolierschicht (5) nicht durch ein Material der ersten Kontaktschicht selbst mit dem n-Kontaktbereich verbunden ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der n-Kontaktbereich ringsum von dem zweiten Halbleiterbereich (23), der p-dotiert ist, umgeben ist, in Draufsicht gesehen, sodass sich der n-Kontaktbereich in einer Ausnehmung des zweiten Halbleiterbereichs (23) befindet.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Bereich der Isolierschicht (5) die folgenden Komponenten in Richtung senkrecht zum zweiten Halbleiterbereich (23) in der angegebenen Reihenfolge direkt aufeinander folgen: erster Halbleiterbereich (21), aktive Zone (22), zweiter Halbleiterbereich (23), Isolierschicht (5), zweite Kontaktschicht (33), erste Kontaktschicht (31), Stromzuführung (43) für den zweiten Halbleiterbereich (23), wobei in einem elektrischen Kontaktbereich für den ersten Halbleiterbereich (21) die folgenden Komponenten in Richtung senkrecht zum ersten Halbleiterbereich (21) in der angegebenen Reihenfolge direkt aufeinander folgen: erster Halbleiterbereich (21), erste Kontaktschicht (31), Stromzuführung (41) für den ersten Halbleiterbereich (21).
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) mit - einem ersten Halbleiterbereich (21) eines ersten Leitfähigkeitstyps und einem zweiten Halbleiterbereich (23) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, zwischen denen eine aktiven Zone (22) liegt, - einer ersten elektrischen Kontaktschicht (31), die sich stellenweise direkt an dem ersten Halbleiterbereich (21) befindet und zur Stromeinprägung in diesen eingerichtet ist, - einer zweiten elektrischen Kontaktschicht (33), die sich stellenweise direkt an dem zweiten Halbleiterbereich (23) befindet und zur Stromeinprägung in diesen eingerichtet ist, - zumindest zwei metallischen Stromzuführungen (41, 43), und - einer Isolierschicht (5), die stellenweise direkt den zweiten Halbleiterbereich (23) bedeckt, sich über diesen erhebt und sich unter der Stromzuführung für den zweiten Halbleiterbereich (23) befindet, wobei - die beiden Kontaktschichten (31, 33) je aus einem transparenten leitfähigen Oxid hergestellt sind, - die erste Kontaktschicht (31) im Bereich der Isolierschicht (5) die zweite Kontaktschicht (33) direkt bedeckt und die Isolierschicht (5) überformt, und - ein Material der ersten Kontaktschicht (31) eine kleinere mittlere Korngröße aufweist als ein Material der zweiten Kontaktschicht (33).