DE102017115173A1

DE102017115173A1 - Verfahren zur Herstellung einer metallischen Elektrode in einem optoelektronischen Halbleiterbauteil und optoelektronisches Halbleiterbauteil

Info

Publication number: DE102017115173A1
Application number: DE102017115173.7A
Authority: DE
Inventors: Alexander Bachmann; Christian Lauer
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2017-07-06
Filing date: 2017-07-06
Publication date: 2019-01-10

Abstract

In einer Ausführungsform ist das Verfahren zur Herstellung einer metallischen Elektrode (5) in einem optoelektronischen Halbleiterbauteil (1), insbesondere einem kantenemittierenden gewinngeführten Laser, eingerichtet und umfasst die Schritte:A) Bereitstellen einer Halbleiterschichtenfolge (3) zur Erzeugung von Strahlung,B) Aufbringen einer Metallisierung (51, 52, 53) auf die Halbleiterschichtenfolge (3), sodass die Metallisierung (52, 53, 54) zur Bestromung der Halbleiterschichtenfolge (3) eingerichtet ist, undC) Temperaturbehandlung der Metallisierung (51, 52, 53) zur Verbesserung von elektrischen Kontakteigenschaften hin zur Halbleiterschichtenfolge (3), wobei nach dem Schritt C) eine mittlere Korngröße der Metallisierung (51, 52, 53) an einer der Halbleiterschichtenfolge (3) abgewandten Oberseite (55) bei höchstens 2 µm liegt und die Elektrode (5) durch die Metallisierung (51, 52, 53) gebildet wird.

Description

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer metallischen Elektrode in einem optoelektronischen Halbleiterbauteil angegeben. Darüber hinaus wird ein optoelektronisches Halbleiterbauteil angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe liegt darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein optoelektronisches Halbleiterbauteil mit einer hohen Strahlqualität herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein Verfahren und durch ein optoelektronisches Halbleiterbauteil mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird mit dem Verfahren eine Elektrode hergestellt. Die Elektrode ist insbesondere eine metallische Elektrode. Das heißt, die Elektrode ist aus einer oder aus mehreren Metallschichten zusammengesetzt. Die einzelnen Metallschichten sind bevorzugt aus unterschiedlichen Metallen oder Metalllegierungen gebildet. Der Begriff Elektrode bedeutet insbesondere, dass die Elektrode in direktem elektrischen Kontakt zu einer Halbleiterschichtenfolge stehen kann und zur Stromeinprägung direkt in die Halbleiterschichtenfolge vorgesehen sein kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Elektrode für ein optoelektronisches Halbleiterbauteil vorgesehen. Bei dem Halbleiterbauteil handelt es sich etwa um eine Leuchtdiode, eine Superlumineszenzdiode oder, besonders bevorzugt, um eine Laserdiode, speziell eine kantenemittierende und gewinngeführte Laserdiode.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Bereitstellens der Halbleiterschichtenfolge. Die Halbleiterschichtenfolge ist im Betrieb des fertigen Halbleiterbauteils dazu eingerichtet, eine Strahlung zu erzeugen, insbesondere eine Laserstrahlung. Bei der Strahlung handelt es sich bevorzugt um ultraviolette Strahlung, um sichtbares Licht und/oder um nahinfrarote Strahlung. Insbesondere liegt eine Wellenlänge maximaler Intensität der zu erzeugenden Strahlung bei mindestens 360 nm oder 400 nm oder 700 nm. Alternativ oder zusätzlich liegt die Wellenlänge maximaler Intensität bei höchstens 1300 nm oder 1000 nm oder 915 nm oder 550 nm.
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 wie Al_nGa_mIn_1-n-mAs_kP_1-k, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 sowie 0 ≤ k < 1 ist. Bevorzugt gilt dabei für zumindest eine Schicht oder für alle Schichten der Halbleiterschichtenfolge 0 < n ≤ 0,8, 0,4 ≤ m < 1 und n + m ≤ 0,95 sowie 0 < k ≤ 0,5. 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.
Bevorzugt ist die Halbleiterschichtenfolge aus AlInGaAs.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Aufbringens einer Metallisierung auf die Halbleiterschichtenfolge. Die Metallisierung kann über ein oder über mehrere Verfahren aufgebracht werden, beispielsweise durch Aufdampfen, Sputtern und/oder Galvanisieren. Die fertige Elektrode wird durch die Metallisierung gebildet, sodass die Metallisierung zur Bestromung der Halbleiterschichtenfolge eingerichtet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt eine Temperaturbehandlung der Metallisierung zur Verbesserung von elektrischen Kontakteigenschaften hin zur Halbleiterschichtenfolge. Insbesondere wird durch die Temperaturbehandlung ein Kontaktwiderstand zwischen der Metallisierung und der Halbleiterschichtenfolge verringert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die fertige Metallisierung nach dem Schritt der Temperaturbehandlung an einer der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Oberseite eine mittlere Korngröße von höchstens 2,5 µm oder 2 µm oder 1,5 µm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt die mittlere Korngröße bei mindestens 0,2 µm oder 0,5 µm oder 0,7 µm.
In mindestens einer Ausführungsform ist das Verfahren zur Herstellung einer metallischen Elektrode in einem optoelektronischen Halbleiterbauteil eingerichtet und umfasst die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge:

A) Bereitstellen einer Halbleiterschichtenfolge zur Erzeugung von Strahlung,
B) Aufbringen einer Metallisierung auf die Halbleiterschichtenfolge, sodass die Metallisierung zur Bestromung der Halbleiterschichtenfolge eingerichtet ist, und C) Temperaturbehandlung der Metallisierung zur Verbesserung von elektrischen Kontakteigenschaften hin zur Halbleiterschichtenfolge, wobei nach der Temperaturbehandlung eine mittlere Korngröße der Metallisierung an einer der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Oberseite bei höchstens 2 µm liegt und die Elektrode durch die Metallisierung gebildet wird.

Insbesondere herkömmliche Hochleistungslaserdioden etwa für Faserkoppelanwendungen wie beispielsweise Halbleiterlaserdioden zum Pumpen von Faserlasern sind oftmals nicht durch die erreichbare optische Ausgangsleistung oder Zuverlässigkeit limitiert, sondern vor allem durch deren Strahlqualität oder Brillanz. Das heißt, die optische Ausgangsleistung muss innerhalb eines gewissen Raumwinkels abgestrahlt werden, um einfach in eine optische Faser gekoppelt werden zu können. Bei üblichen Breitstreifenlasern, also kantenemittierenden oder gewinngeführten Laserdioden, ist vor allem die Strahlqualität in Richtung parallel zu den Schichtebenen, auch als slow axis-Richtung bezeichnet, begrenzend. Durch die hier beschriebene Temperaturbehandlung wird eine Verbesserung der Strahlqualität erzielt.
Um eine hohe laterale Strahlqualität, insbesondere in slow axis-Richtung, zu realisieren, werden gewinngeführte Strukturen verwendet. Bei einer gewinngeführten Struktur werden ein Stromfluss und eine Stromeinprägung durch Ätzen etwa einer p-seitigen Kontaktschicht und einer entsprechend strukturierten Passivierungsschicht beeinflusst. Demgegenüber stehen vornehmlich indexgeführte Strukturen wie Stegwellenleiterlaser, auch als ridge-Laser bezeichnet, bei denen Gräben geätzt sind, die bis in einen Wellenleiter reichen und so vor allem durch eine laterale Variation des Brechungsindexes eine laterale Wellenführung erreichen.
Bei optoelektronischen Halbleiterbauteilen, bevorzugt bei kantenemittierenden Halbleiterlasern, können verspannte Schichten die Wellenleitereigenschaften beeinflussen. Durch Verspannungen entstehen lokale Veränderungen im Brechungsindex, sodass eine Indexführung von Laserstrahlung verstärkt oder abgeschwächt sein kann. Verspannungen entstehen unter anderem durch Temperaturbehandlung wie Temperprozesse, die prozesstechnisch erforderlich sind, um einen niedrigen elektrischen Widerstand zu erreichen.
Bei dem hier beschriebenen Verfahren wird die Temperaturbehandlung der Metallisierung sowie damit der Elektrode bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen und/oder mit kleinen Haltezeiten einer Maximaltemperatur durchgeführt. Hierdurch wird erreicht, dass nach der Temperaturbehandlung lediglich eine geringe mittlere Korngröße in der Metallisierung vorliegt. Hierdurch werden geringere Verspannungen in der Halbleiterschichtenfolge durch die Metallisierung erreicht, sodass sich eine Strahlqualität verbessern lässt.
Ziel durch die Temperaturbehandlung der Metallisierung ist es somit, neben dem Erzielen eines niedrigen Kontaktwiderstands eine hohe Strahlqualität zu erreichen. Als Maßzahl hierfür dient bevorzugt das so genannte Strahlparameterprodukt, kurz SPP oder englisch beam parameter product, kurz BPP. Das SPP ist eine zweidimensionale Größe, in der Regel wird in der Fachwelt jedoch nur das laterale SPP, also in der Schichtebene insbesondere der aktiven Zone, als eindimensionale Größe betrachtet, da insbesondere Breitstreifenlaserdioden durch diese Größe limitiert sind. Dann hat das SPP die Dimension Länge mal Winkel, angegeben in mm·mrad. Das SPP gibt insbesondere das Produkt aus dem Radius eines Laserstrahls an seiner dünnsten Stelle, auch als Strahltaille bezeichnet, und dem halben Öffnungswinkel im optischen Fernfeld an. Damit ergibt sich das SPP bei Halbleiterlasern insbesondere als Produkt aus einer emittierenden Breite in slow axis-Richtung und dem Emissionswinkel. Durch die vorliegend kürzere Haltezeit auf der Maximaltemperatur bei der Temperaturbehandlung sowie niedrigere Temperaturen insgesamt ergibt sich eine feinere Kornstruktur der relevanten Metallschicht der Elektrode, die insbesondere eine Goldschicht ist, woraus geringere kompressive Verspannungen gegenüber der Halbleiterschichtenfolge resultieren, einhergehend mit dem verringerten SPP.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform gilt im Schritt C) für das Integral der Temperatur θ über die Zeit t: ∫θdt ≤ 2 × 10⁶ s·°C. Insbesondere beträgt dieses Integral höchstens 2 × 10⁵ s·°C. Alternativ oder zusätzlich beträgt dieses Integral mindestens 1 × 10⁴ s·°C oder 1 × 10⁵ s·°C.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform gilt für eine Maximaltemperatur Tmax im Schritt C): 350 °C ≤ Tmax oder 370 °C ≤ Tmax oder 385 °C ≤ Tmax und/oder Tmax ≤ 450 °C oder Tmax ≤ 420 °C oder Tmax ≤ 400 °C.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Metallisierung eine Goldschicht. Insbesondere ist durch die Goldschicht die der Halbleiterschichtenfolge abgewandte Oberseite der Metallisierung gebildet. Mit anderen Worten kann es sich bei der Goldschicht um die am weitesten von der Halbleiterschichtenfolge entfernt liegende Schicht der Metallisierung für die Elektrode handeln, auch als Deckschicht bezeichnet. Bei dieser Metallisierung handelt es sich insbesondere um die p-seitige Metallisierung. Eine zusätzliche Metallisierung kann sich an einer der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite des Substrats befinden, etwa als Gegenelektrode. Die zusätzliche Metallisierung ist damit weiter von der Halbleiterschichtenfolge entfernt, da das Substrat üblicherweise eine Dicke im Bereich um 100 µm aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Goldschicht im Schritt B) mittels Aufdampfen und/oder Galvanisieren erzeugt. Bevorzugt wird die Goldschicht und/oder die am weitesten von der Halbleiterschichtenfolge entfernt liegende Schicht, also die Deckschicht, nur mittels Aufdampfen erzeugt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform trägt die Deckschicht oder Goldschicht zu mindestens 60 % oder 70 % oder 80 % oder 90 % zu einer Gesamtdicke der Metallisierung bei. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Goldschicht um die dickste Schicht der Metallisierung. Die Metallisierung besteht dann überwiegend aus Gold.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Deckschicht und damit die Goldschicht eine Dicke von mindestens 0,5 µm oder 1 µm oder 2 µm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt diese Dicke bei höchstens 50 µm oder 25 µm oder 10 µm. bevorzugt weist die Goldschicht eine Dicke zwischen einschließlich 2 µm und 5 µm auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die mittlere Korngröße der Deckschicht, insbesondere der Goldschicht, in Draufsicht auf die Oberseite der Metallisierung gesehen, kleiner oder gleich der Dicke der Deckschicht. Insbesondere liegt die mittlere Korngröße bei höchstens 50 % der Dicke der Deckschicht. Bei der mittleren Korngröße handelt es sich insbesondere um den d₅₀-Wert, gemessen in D₀.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt der Schritt C) unter Stickstoffatmosphäre oder im Vakuum. Insbesondere wird dieser Schritt in einer Schnellheizkammer, auch als rapid thermal annealing-Anlage oder kurz RTA bezeichnet, durchgeführt. In einer solchen Schnellheizkammer dauert das Aufheizen von Raumtemperatur auf Maximaltemperatur und/oder das Abkühlen von Maximaltemperatur zurück auf Raumtemperatur höchstens 5 min oder 3 min oder 1 min. Alternativ oder zusätzlich liegt diese Dauer bei mindestens 5 s. der Begriff Vakuum bedeutet in diesem Zusammenhang beispielsweise, dass in der Schnellheizkammer während des Schritts C) ein relativ geringer Druck vorliegt, beispielsweise höchstens 0,1 bar oder 0,01 bar. Das Vakuum während des Schritts C) ist somit nicht notwendigerweise von hoher Qualität. Es kann auch unter Normaldruck von 1 bar in Stickstoffatmosphäre gearbeitet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Metallisierung in Richtung weg von der Halbleiterschichtenfolge eine Kontaktschicht und eine Zwischenschicht. Die Kontaktschicht und die Zwischenschicht sind von der Oberseite beabstandet. Die Kontaktschicht kann die Halbleiterschichtenfolge unmittelbar berühren. Die Zwischenschicht kann direkt auf die Kontaktschicht folgen. Es ist möglich, dass die Deckschicht, insbesondere also die Goldschicht, unmittelbar und ganzflächig auf der Zwischenschicht angebracht ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Kontaktschicht eines oder mehrere der nachfolgenden Metalle oder ist eine Schicht aus einem dieser Metalle: Titan, Nickel, Chrom. Insbesondere handelt es sich bei der Kontaktschicht um eine Titanschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Zwischenschicht eines oder mehrere der nachfolgenden Metalle oder ist eine Schicht aus einem dieser Metalle: Platin, Palladium, Chrom, Germanium, Nickel sowie Legierungen aus oder mit diesen Metallen. Insbesondere ist die Zwischenschicht eine Platinschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform tragen die Kontaktschicht und die Zwischenschicht zusammengenommen zu höchstens 40 % oder 30 % oder 20 % oder 10 % zur Gesamtdicke der Metallisierung bei. Somit sind bevorzugt weder die Kontaktschicht noch die Zwischenschicht die hinsichtlich der mechanischen Verspannungen besonders maßgebliche Komponenten der Metallisierung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Kontaktschicht eine Dicke von mindestens 10 nm oder 20 nm oder 40 nm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt die Dicke der Kontaktschicht bei höchstens 1000 nm oder 400 nm oder 200 nm oder 100 nm. Dies gilt insbesondere im Falle einer Titanschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Zwischenschicht eine Dicke von mindestens 50 nm oder 100 nm oder 200 nm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt die Dicke der Zwischenschicht bei höchstens 1 µm oder 800 nm oder 500 nm. Die genannten Werte gelten insbesondere im Falle einer Platinschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Deckschicht der Metallisierung, durch die die Oberseite gebildet ist, eine Dicke von mindestens 1 µm oder 1,5 µm oder 2 µm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt die Dicke der Deckschicht bei höchstens 50 µm oder 20 µm oder 8 µm. Bevorzugt handelt es sich bei der Deckschicht um die Goldschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Deckschicht die dickste Schicht der Metallisierung. Alternativ oder zusätzlich ist die Kontaktschicht die dünnste Schicht der Metallisierung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform folgen die Kontaktschicht, die Zwischenschicht und die Deckschicht in Richtung weg von der Halbleiterschichtenfolge unmittelbar aufeinander. Diese Schichten können sich jeweils vollständig und durchgehend überdecken. Bevorzugt sind diese Schichten frei von Ausnehmungen, Aussparungen oder Löchern, durch die eine der darunterliegenden Schichten zugänglich ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem fertigen Halbleiterbauteil um einen gewinngeführten Halbleiterlaser. Insbesondere basiert der Halbleiterlaser auf dem Materialsystem AlInGaAs und ist zur Erzeugung von nahinfraroter Strahlung eingerichtet. Aufgrund der geringen mittleren Korngröße der Metallisierung an der Oberseite von höchstens bevorzugt 2 µm ist das Strahlparameterprodukt der im Betrieb emittierten Laserstrahlung gegenüber einem ansonsten baugleichen Halbleiterlaser mit einer Korngröße an der Oberseite von mindestens 3 µm reduziert. Das SPP bezieht sich auf die slow axis-Richtung senkrecht zu einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge. Durch die geringe Korngröße ist das SPP bevorzugt um mindestens 1 mm·mrad oder 0,5 mm·mrad oder 0,3 mm·mrad reduziert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das fertige Halbleiterbauteil als Laserbarren gestaltet. In diesem Fall weist das Halbleiterbauteil mehrere Emitterbereiche auf. Die Emitterbereiche können untereinander baugleich sein. Es ist möglich, dass die Emitterbereiche elektrisch parallel geschaltet oder elektrisch einzeln ansteuerbar sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erstreckt sich die Halbleiterschichtenfolge durchgehend über alle Emitterbereiche hinweg. Alternativ ist es möglich, dass die Halbleiterschichtenfolge zwischen benachbarten Emitterbereichen unterbrochen ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Elektrode den Emitterbereichen entsprechend strukturiert. Das heißt, jedem Emitterbereich kann eine eigene Elektrode zugeordnet sein. Die Elektroden erstrecken sich bevorzugt nicht zusammenhängend über mehrere Emitterbereiche hinweg. In Draufsicht gesehen ist die Halbleiterschichtenfolge bevorzugt zu mindestens 3 % oder 6 % oder 9 % und/oder zu höchstens 95 % oder 50 % oder 20 % von der Elektrode bedeckt, insbesondere unmittelbar bedeckt. Die eigentliche Bedeckung durch die Metallisierung kann groß sein. Elektrisch angeschlossen ist bevorzugt allerdings nur ein vergleichsweise geringer Flächenanteil der Metallisierung. Die genannten Werte können sich damit auf die geometrische Bedeckung der Halbleiterschichtenfolge durch die Metallisierung insgesamt und/oder nur auf die Fläche eines elektrischen Anschlusses, also des als Elektrode funktionalisierten Teils der Metallisierung, beziehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Elektrode nach dem Schritt C) an der Oberseite kompressiv verspannt. Insbesondere liegt eine kompressiv verspannte Deckschicht in Form der Goldschicht vor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Elektrode nach dem Schritt C) direkt an der Halbleiterschichtenfolge tensil verspannt. Dabei handelt es sich etwa um eine tensil verspannte Titanschicht, die die Kontaktschicht bildet.
Darüber hinaus wird ein optoelektronisches Halbleiterbauteil angegeben. Das Halbleiterbauteil ist mit einem Verfahren hergestellt, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen beschrieben. Merkmale des Verfahrens sind daher auch für das Halbleiterbauteil offenbart und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform ist die Halbleiterschichtenfolge zur Erzeugung von Strahlung eingerichtet. Eine Elektrode ist durch eine Metallisierung an der Halbleiterschichtenfolge gebildet, sodass die Metallisierung zur Bestromung der Halbleiterschichtenfolge eingerichtet ist. Die Metallisierung weist an einer der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Oberseite eine mittlere Korngröße von höchstens 2 µm auf.
Ferner wird eine Anordnung zur Einkopplung in eine Faser, zum Beispiel zum optischen Pumpen eines Faserlasers, angegeben. Die Pumpanordnung umfasst eines oder mehrerer solcher Halbleiterbauteile. Merkmale des Halbleiterbauteils und des Verfahrens sind daher auch für die Pumpanordnung offenbart und umgekehrt.
Zusätzlich zu dem Halbleiterbauteil umfasst die Pumpanordnung einen oder mehrere Lichtleiter. Die von dem Halbleiterbauteil erzeugte Laserstrahlung wird in den mindestens einen Lichtleiter eingekoppelt, beispielsweise mit Hilfe zumindest einer dazwischenliegenden Optik der Pumpanordnung.
Nachfolgend wird ein hier beschriebenes optoelektronisches Halbleiterbauteil 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 und 3 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen,
1B eine schematische Darstellung eines Strahlprofils eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteils,
4 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteils,
5 Rasterelektronenmikroskopaufnahmen einer Oberseiten einer Metallisierung eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteils,
6 XRD-Spektren von Metallisierungsschichten von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen,
7 und 8 Messwerte zum Strahlparameterprodukt von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen, und
9 eine schematische perspektivische Darstellung einer Pumpanordnung mit einem hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteil.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterbauteils 1 gezeigt. Bei dem Halbleiterbauteil 1 handelt es sich um einen kantenemittierenden Halbleiterlaser, der gewinngeführt ist. Das Halbleiterbauteil 1 umfasst eine Halbleiterschichtenfolge 3 mit einer aktiven Zone 30 zur Erzeugung von Laserstrahlung L. Die Halbleiterschichtenfolge 3 befindet sich an einem Substrat 2, an dem eine bevorzugt metallische Gegenelektrode 8 zur Bestromung des Halbleiterbauteils 1 angebracht ist. An einer dem Substrat 2 abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge 3 befindet sich eine elektrisch isolierende Zwischenschicht 41, optional eine weitere Zwischenschicht 42 sowie eine Elektrode 5, die mehrere Teilschichten 51, 52, 53 aufweist. Die Elektrode 5 befindet sich bevorzugt direkt an einer Halbleiterkontaktschicht 35, die hochdotiert ist, um einen niederohmschen Kontakt zu erzielen. Eine solche Halbleiterkontaktschicht 35 ist bevorzugt auch in allen anderen Ausführungsbeispielen vorhanden. Durch die am weitesten von der Halbleiterschichtenfolge 3 entfernt liegende Teilschicht 53 ist eine Oberseite 50 der als Metallisierung gestalteten Elektrode 5 gebildet.
Es ist möglich, dass über den Teilschichten 51, 52, 53 noch weitere, bevorzugt im Vergleich dünne, nicht gezeichnete Metallschichten aufgebracht werden, zum Beispiel nochmals Ti/Pt/Au. Diese dienen etwa zum Löten, insbesondere um für später aufgebrachtes AuSn zusätzliches Au für das Eutektikum zu liefern. Entsprechendes gilt für alle anderen Ausführungsbeispiele.
Bei der ersten Teilschicht 51 der Elektrode 5 handelt es sich um eine Kontaktschicht direkt an der Halbleiterschichtenfolge 2. Die Kontaktschicht 51 ist bevorzugt aus Titan mit einer Dicke von beispielsweise 70 nm. Bei der Zwischenschicht 52 handelt es sich insbesondere um eine Platinschicht mit einer Dicke von beispielsweise 275 nm. Eine Oberseite 50 der Elektrode 5 ist durch eine Deckschicht 53 gebildet. Die Deckschicht 53 ist bevorzugt eine Goldschicht mit einer Dicke von beispielsweise 2,5 µm.
Die Teilschichten 51, 52, 53 folgen direkt aufeinander. Abweichend von der Darstellung in 1A kann sich die Kontaktschicht 51 durchgehend über die Zwischenschichten 41, 42 erstrecken.
Über die erste Teilschicht 41 und die Zwischenschichten 41, 42 ist ein Bestromungsbereich 33 definiert. Näherungsweise wird die aktive Zone 30 nur in dem Bestromungsbereich 33 oder in einer x-Richtung in geringfügiger Breite über den Bestromungsbereich 33 hinaus bestromt. Damit wird im Wesentlichen nur im Bereich des Bestromungsbereichs 33 die Laserstrahlung L erzeugt. Die Halbleiterkontaktschicht 35 kann auf den Bestromungsbereich 33 begrenzt sein.
Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist es möglich, dass an der Halbleiterschichtenfolge 3 hin zur Elektrode 5 eine nicht gezeichnete, weitere Schicht aus einem transparenten leitfähigen Oxid, kurz TCO, vorhanden ist. Durch eine solche Schicht kann eine Stromeinprägung in die Halbleiterschichtenfolge 3 verbessert sein.
Optional sind Gräben 7 vorhanden, die sich in einem relativ großen Abstand zu dem Bestromungsbereich 33 befinden. Die Gräben 7 weisen je eine Bodenfläche 70 auf, die der Gegenelektrode 8 zugewandt ist. Schräg verlaufende Seitenflächen 71 der Gräben sind dem Bestromungsbereich 33 zugewandt. In Richtung parallel zu einer Wachstumsrichtung G der Halbleiterschichtenfolge 3 können die Gräben 7 bis in das Substrat 2 reichen. Im Bereich des Bestromungsbereichs 33 ist die Halbleiterschichtenfolge 3 ebenso wenig strukturiert wie das Substrat 2. Somit handelt es sich bei dem Halbleiterbauteil 1 um einen gewinngeführten Laser, bei dem eine Wellenleitung in Richtung senkrecht zur Zeichenebene der 1A nicht durch eine Strukturierung der Halbleiterschichtenfolge 3 oder des Substrats 2 erreicht ist.
Die Elektrode 5 bedeckt bevorzugt nur einen Teil der Zwischenschichten 41, 42 und kann sich über die optionalen Gräben 7 hinweg erstrecken. Abweichend von der Darstellung in 1A ist es ebenso möglich, dass die Elektrode 5 auf einen Bereich zwischen den Gräben 7 beschränkt ist. Ein Bedeckungsgrad der Halbleiterschichtenfolge 3 mit der Elektrode 5 liegt zum Beispiel bei 10 %.
In 1B ist ein Verlauf einer Intensität I der Laserstrahlung L entlang der Querrichtung x dargestellt.
Beim Ausführungsbeispiel der 2 sind die Teilschichten 51, 52, 53 der Elektrode 5 deckungsgleich übereinander angeordnet. Eine Dicke der Teilschichten 51, 52, 53 nimmt in Richtung weg von der Halbleiterschichtenfolge 3 zu. Es ist möglich, dass die Gegenelektrode 8 das Substrat 2 an einer Unterseite nur zum Teil bedeckt.
Ferner ist es möglich, dass die als Passivierungen gestalteten Zwischenschichten 41, 42 in Richtung hin zum Bestromungsbereich 33 eine variierende Dicke aufweisen. Die an der Halbleiterschichtenfolge 3 gelegene Zwischenschicht 42 weist beispielsweise eine in Richtung hin zum Bestromungsbereich 33 zunehmende Dicke auf. Die Schicht 41 kann als Planarisierungsschicht aufgefasst werden. Durch eine solche Gestaltung der Zwischenschichten 41, 42 können gezielt Verspannungen in die Halbleiterschichtenfolge 3 eingebracht werden, um die Wellenleitung der Laserstrahlung L zu verbessern.
Gemäß 3 weisen die Teilschichten 51, 52, 53 entlang der Querrichtung x unterschiedliche Ausdehnungen auf. Die erste Teilschicht 51 an der Halbleiterschichtenfolge 3 kann sich vollständig innerhalb der Zwischenschicht 41 befinden, sodass die Zwischenschicht 41 die Teilschicht 51 entlang der Wachstumsrichtung G überragen kann. Die zweite Teilschicht 52 bedeckt die erste Teilschicht 51 vollständig und die Zwischenschicht 41 zum Teil. Die dritte Teilschicht 53 erstreckt sich vollständig über den Bestromungsbereich 33 hinweg, bedeckt die zweite Teilschicht 52 aber nur teilweise.
Beim Ausführungsbeispiel der 4 ist das Halbleiterbauteil 1 als kantenemittierender Laserbarren mit mehreren Emitterbereichen 10 gestaltet. Jeder Emitterbereich 10 weist eine eigene metallische Elektrode 5 auf. Dabei erstreckt sich die Halbleiterschichtenfolge 3 sowie das Substrat 2 vollständig über die beispielsweise fünf Emitterbereiche 10 hinweg. Bevorzugt befinden sich die Emitterbereiche 10 auf einer gemeinsamen Wärmesenke 6, die auch zur elektrischen Kontaktierung der Emitterbereiche 10 dienen kann. Jeder der Emitterbereiche 10 kann gestaltet sein, wie in Verbindung mit 1A erläutert.
In 5 sind Rasterelektronenmikroskopaufnahmen der metallischen Elektrode 5 zu sehen. Dabei ist die Elektrode 5 auf GaAs abgeschieden, und zwar in der Schichtenfolge Titan, Platin, Gold, mit Dicken von 70 nm, 275 nm und 2,5 µm, insbesondere wie in Verbindung mit 1A ausgeführt. Bei den Abbildungen in 5 handelt es sich um Rasterelektronenmikroskopbilder der Oberseite 50 der Goldschicht 53 aus 1A.
In 5A ist die Goldschicht 53 unmittelbar nach dem Aufdampfen dargestellt. Die Goldschicht 53 weist eine vergleichsweise große Rauheit auf. Eine mittlere Korngröße der Goldschicht 53 liegt an der Oberseite 50 bei ungefähr 0,1 µm.
Die Elektrode 5 wird bevorzugt strukturiert mit Hilfe einer Maskenschicht aufgebracht. Bei der Maskenschicht handelt es sich um einen Fotolack, dessen Strukturierung in das Metall übertragen wird, zum Beispiel mittels Ätzens oder eines Abhebeprozesses, auch als lift-off bezeichnet. Nach diesem Prozess wird der Fotolack etwa durch Nasschemie und/oder über Veraschen entfernt. In 5B ist die Goldschicht 53 nach diesem Veraschen gezeigt. Das Veraschen wird beispielsweise mittels eines Sauerstoffplasmas durchgeführt, bei dem sich der Wafer erhitzt. Hierdurch resultiert eine glattere Oberseite 50 der Goldschicht 53 mit einer erhöhten mittleren Korngröße im Bereich um 1 µm.
Um die elektrischen Kontakteigenschaften der Elektrode 5 zu verbessern, erfolgt eine Temperaturbehandlung etwa in Form eines Sinterns. Das Sintern erfolgt insbesondere in einer Schnellheizvorrichtung, kurz RTA-Anlage, bei einer Temperatur von 400 °C. Eine Maximaltemperatur wird für 5 Minuten gehalten. Hieraus resultieren jedoch vergleichsweise große mittlere Korndurchmesser an der Oberseite 50, siehe 5C. Dadurch nehmen kompressive Verspannungen der Goldschicht 53 gegenüber den Halbeiterschichten zu.
In 6 sind Röntgenbeugungsspektren, auch als XRD-Spektren bezeichnet, des Titan-Platin-Gold-Schichtenstapels 51, 52, 53 dargestellt. Die Kurve I wurde bei einer Temperatur von 400 °C für 5 Minuten gesintert, entsprechend der Darstellung in 5C. Das Sintern erfolgte mittels RTA. Demgegenüber stellt die Kurve II eine Temperaturbehandlung von 13 Minuten bei 400 °C dar, wobei dieses Tempern in einem Ofen erfolgt, bei dem eine Temperaturrampe hin zu Maximaltemperatur ungefähr 0,5 h erfordert und das Abkühlen auf Raumtemperatur ungefähr 1,5 h dauert. Zu erkennen ist, dass die Intensitätsmaxima für Gold und Platin nach dem längeren Tempern zu geringeren Winkeln hin verschoben sind, was sich durch eine Zunahme von kompressiven Verspannungen erklären lässt.
In 7 ist ein laterales Strahlparameterprodukt SPP von Laserbarren, bestehend aus fünf Emittern mit je 100 µm Kontaktbreite und einer Länge von 5 mm mit einem Füllfaktor von 10 % analog zu 4 dargestellt, getempert in einem Ofen, wie in Verbindung mit 6 erläutert. Dabei erfolgt das Tempern bei unterschiedlichen Maximaltemperaturen Tmax. Bei den Messpunkten, die mit II markiert sind, handelt es sich um das Bauteil zur Kurve II in 6. Der Laserbarren wurde dabei mit einer optischen Ausgangsleistung von 50 W betrieben.
Aus 7 ist zu erkennen, dass mit sinkender Maximaltemperatur Tmax das Strahlparameterprodukt SPP abnimmt. Erfindungsgemäß, siehe den Bereich IV, liegt die Maximaltemperatur im Bereich um 380 °C, da hiermit durch eine Verringerung der mittleren Korngröße gegenüber einem herkömmlichen Temperverfahren eine Steigerung der Strahlqualität bei Beibehaltung von adäquaten elektrischen Eigenschaften erzielbar ist.
In 8 erfolgt die Temperaturbehandlung mit einem RTA. Aufgetragen ist die Haltezeit t_Tmax bei der Maximaltemperatur Tmax in Minuten gegenüber dem Strahlparameterprodukt SPP. Die Messpunkte, die mit I gekennzeichnet sind, entsprechen dem Bauteil zur Kurve I in 6.
Aus 8 ist zu erkennen, dass mit abnehmender Haltezeit t_Tmax ein kleineres Strahlparameterprodukt SPP realisierbar ist, siehe den mit III gekennzeichneten erfindungsgemäßen Bereich.
Somit verbessert sich die Strahlqualität der Halbleiterbauteile, wenn die Maximaltemperatur Tmax und/oder die Haltezeit t_Tmax bei der Maximaltemperatur Tmax reduziert werden. Dies ist insbesondere gleichbedeutend mit einer reduzierten kompressiven Verspannung der p-seitigen Metallisierung 5 gegenüber den Halbleiterschichten, entsprechend einer kleineren Größe der Metallisierungskörner.
Durch die Reduktion des Strahlparameterprodukts, insbesondere von Laserdiodenchips, können diese bei höheren optischen Leistungen betrieben werden, sodass sich ein Kostenvorteil und ein Performance-Vorteil ergibt. Hierfür ist unter anderem die reduzierte Verspannung aufgrund der verkleinerten mittleren Korngröße der Metallisierung 5 maßgeblich. Gleichzeitig werden die elektrischen Eigenschaften der Elektrode 5 beibehalten. So kann ein elektrischer Serienwiderstand und/oder ein Kontaktwiderstand beibehalten werden, trotz der niedrigeren Maximaltemperatur Tmax und/oder Haltezeit t_Tmax.
In 9 ist schematisch eine Pumpanordnung 9 gezeigt. Dabei kommt bevorzugt ein optoelektronisches Halbleiterbauteil 1 zum Einsatz, wie in Verbindung mit 4 illustriert. Über eine Optik 92 erfolgt eine Einkopplung der Laserstrahlung L in einen Lichtleiter 90.
Die in den Figuren gezeigten Komponenten folgen, sofern nicht anders kenntlich gemacht, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge jeweils unmittelbar aufeinander. Sich in den Figuren nicht berührende Schichten sind bevorzugt voneinander beabstandet. Soweit Linien parallel zueinander gezeichnet sind, sind die entsprechenden Flächen bevorzugt ebenso parallel zueinander ausgerichtet. Ebenfalls, soweit nicht anders kenntlich gemacht, sind die relativen Positionen der gezeichneten Komponenten zueinander in den Figuren korrekt wiedergegeben.
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: optoelektronisches Halbleiterbauteil
10: Emitterbereich
2: Substrat
3: Halbleiterschichtenfolge
30: aktive Zone
33: Bestromungsbereich
35: Halbleiterkontaktschicht
41: erste Zwischenschicht
42: zweite Zwischenschicht
5: metallische Elektrode
51: Metallschicht der Metallisierung, insbesondere aus Ti
52: Metallschicht der Metallisierung, insbesondere aus Pt
53: Metallschicht der Metallisierung, insbesondere aus Au
55: Oberseite der Elektrode
6: Wärmesenke
7: Graben
70: Bodenfläche des Grabens
71: Seitenfläche des Grabens
8: Gegenelektrode
9: Pumpanordnung
90: Lichtleiter
91: Optik
G: Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge
I: Intensität in willkürlichen Einheiten
L: Laserstrahlung
n: Brechungsindex
SPP: Strahlparameterprodukt in mm·mrad
t_Tmax: Haltezeit der Maximaltemperatur in min
x: Querrichtung
2Θ: Streuwinkel

Claims

Verfahren zur Herstellung einer metallischen Elektrode (5) in einem optoelektronischen Halbleiterbauteil (1) mit den folgenden Schritten in der angegebenen Reihenfolge: A) Bereitstellen einer Halbleiterschichtenfolge (3) zur Erzeugung von Strahlung, B) Aufbringen einer Metallisierung (51, 52, 53) auf die Halbleiterschichtenfolge (3), sodass die Metallisierung (52, 53, 54) zur Bestromung der Halbleiterschichtenfolge (3) eingerichtet ist, und C) Temperaturbehandlung der Metallisierung (51, 52, 53) zur Verbesserung von elektrischen Kontakteigenschaften hin zur Halbleiterschichtenfolge (3), wobei nach dem Schritt C) eine mittlere Korngröße der Metallisierung (51, 52, 53) an einer der Halbleiterschichtenfolge (3) abgewandten Oberseite (55) bei höchstens 2 µm liegt und die Elektrode (5) durch die Metallisierung (51, 52, 53) gebildet wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei für eine Maximaltemperatur Tmax im Schritt C) gilt: 350 °C ≤ Tmax ≤ 420 °C.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Metallisierung eine Goldschicht (53) umfasst, durch die die Oberseite (55) gebildet wird, wobei die Goldschicht (53) im Schritt B) mittels Aufdampfen und/oder Galvanisieren erzeugt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Goldschicht (53) zu mindestens 70 % zu einer Gesamtdicke der Metallisierung (51, 52, 53) beiträgt, wobei die Goldschicht (53) im Schritt B) nur mittels Aufdampfen erzeugt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden oder dem vorvorhergehenden Anspruch, bei dem die Goldschicht (53) eine Dicke zwischen einschließlich 1 µm und 25 µm aufweist, wobei die mittlere Korngröße kleiner oder gleich der Dicke der Goldschicht (53) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt C) im Vakuum in einer Schnellheizkammer durchgeführt wird, wobei eine Maximaltemperatur für höchstens 120 s gehalten wird und das Aufheizen sowie das Abkühlen zwischen der Maximaltemperatur und Raumtemperatur je höchstens 30 s dauert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Metallisierung in Richtung weg von der Halbleiterschichtenfolge (3) eine Kontaktschicht (51) und eine Zwischenschicht (52) umfasst, die jeweils von der Oberseite (55) beabstandet sind, wobei die Kontaktschicht (51) aus Ti, Ni oder Cr ist und die Zwischenschicht (52) aus Pt oder Pd ist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Kontaktschicht (51) und die Zwischenschicht (52) zusammengenommen zu höchstens 30 % zur Gesamtdicke der Metallisierung (51, 52, 53) beitragen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Metallisierung in Richtung weg von der Halbleiterschichtenfolge (3) aus den nachfolgenden, direkt aufeinanderfolgenden Schichten besteht: - einer Titan-Schicht (51) mit einer Dicke zwischen einschließlich 20 nm und 200 nm, - einer Platin-Schicht (52) mit einer Dicke zwischen einschließlich 100 nm und 800 nm, und - einer Gold-Schicht (53) mit einer Dicke zwischen einschließlich 1,5 µm und 20 µm, wobei die Gold-Schicht (53) am dicksten und die Titan-Schicht (51) am dünnsten ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem fertigen Halbleiterbauteil (1) um einen Halbleiterlaser handelt, der auf dem Materialsystem AlInGaAs basiert und der zur Erzeugung von nahinfraroter Strahlung eingerichtet ist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Halbleiterlaser (1) gewinngeführt ist, wobei aufgrund der Korngröße an der Oberseite (55) der Metallisierung (51, 52, 53) von höchstens 2 µm ein Strahlparameterprodukt einer im Betrieb emittierten Laserstrahlung (L) gegenüber einem ansonsten baugleichen Halbleiterlaser mit einer Korngröße an der Oberseite (55) von mindestens 3 µm in Richtung senkrecht zu einer Wachstumsrichtung (G) der Halbleiterschichtenfolge (3) um wenigstens 0,5 mm·mrad reduziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das fertige Halbleiterbauteil (1) als Laserbarren mit mehreren Emitterbereichen (10) gestaltet ist, wobei sich die Halbleiterschichtenfolge (3) durchgehend über alle Emitterbereiche (10) hinweg erstreckt, und wobei die Elektrode (5) den Emitterbereichen (10) entsprechend (10) strukturiert ist und in Draufsicht gesehen die Halbleiterschichtenfolge (3) unmittelbar zu mindestens 3 % und zu höchstens 30 % bedeckt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Elektrode (5) nach dem Schritt C) an der Oberseite (55) kompressiv und direkt an der Halbleiterschichtenfolge (3) tensil verspannt ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) mit - einer Halbleiterschichtenfolge (3) zur Erzeugung von Strahlung, und - einer Elektrode (5), die durch eine Metallisierung (51, 52, 53) an der Halbleiterschichtenfolge (3) gebildet ist, sodass die Metallisierung (52, 53, 54) zur Bestromung der Halbleiterschichtenfolge (3) eingerichtet ist, wobei die Metallisierung (51, 52, 53) an einer der Halbleiterschichtenfolge (3) abgewandten Oberseite (55) eine mittlere Korngröße von höchstens 2 µm aufweist.