DE102018112255A1

DE102018112255A1 - Optoelektronischer Halbleiterchip und Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips

Info

Publication number: DE102018112255A1
Application number: DE102018112255.1A
Authority: DE
Inventors: Holger Specht; Attila Molnar
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2018-05-22
Filing date: 2018-05-22
Publication date: 2019-11-28
Also published as: WO2019224154A1

Abstract

Optoelektronischer Halbleiterchip (1) umfassend ein Aufwachssubstrat (20), einen Halbleiterschichtenstapel (30) mit einem aktiven Bereich (31), einem halbleitenden Bereich erster Art (32) und einem halbleitenden Bereich zweiter Art (33) und eine Abstrahlfläche (1a), bei dem- der Halbleiterschichtenstapel (30) mit dem halbleitenden Bereich erster Art (32) an einer ersten Hauptfläche (20a) des Aufwachssubstrats (20) angeordnet ist,- der Halbleiterchip (1) dazu eingerichtet ist im aktiven Bereich (31) elektromagnetische Strahlung (L) zu erzeugen und durch die Abstrahlfläche (1a) zu emittieren, wobei- die Abstrahlfläche (1a) eine Extraktionsverstärkungsfläche (11) aufweist,- im Bereich der Extraktionsverstärkungsfläche (11) die erste Hauptfläche (20a) frei von dem Halbleiterschichtenstapel (30) ist, oder- im Bereich der Extraktionsverstärkungsfläche (11) eine von der ersten Hauptfläche (20a) abgewandte Seite des halbleitenden Bereichs erster Art (32) frei von dem halbleitenden Bereich zweiter Art (33) und dem aktiven Bereich (31) ist.

Description

Es wird ein optoelektronischer Halbleiterchip angegeben. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht unter anderem darin, einen optoelektronischen Halbleiterchip anzugeben, der eine verbesserte Effizienz aufweist. Diese Aufgabe wird mit einem optoelektronischen Halbleiterchip gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen optoelektronischen Halbleiterchips anzugeben. Diese weitere Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem Patentanspruch 11 gelöst.
Bei dem optoelektronischen Halbleiterchip handelt es sich um einen Halbleiterchip, insbesondere um einen LED-Chip („LED“ für Light Emitting Diode), welcher dazu eingerichtet ist, im bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetische Strahlung zu emittieren.
Der optoelektronische Halbleiterchip umfasst ein Aufwachssubstrat, einen Halbleiterschichtenstapel und eine Abstrahlfläche. Der Halbleiterschichtenstapel weist einen aktiven Bereich, einen halbleitenden Bereich erster Art und einen halbleitenden Bereich zweiter Art auf. Bei dem halbleitenden Bereich erster Art handelt es sich beispielsweise um einen n-leitenden Bereich und bei dem halbleitenden Bereich zweiter Art handelt es sich beispielsweise um einen p-leitenden Bereich. Alternativ handelt es sich bei dem halbleitenden Bereich erster Art beispielsweise um einen p-leitenden Bereich und bei dem halbleitenden Bereich zweiter Art beispielsweise um einen n-leitenden Bereich. Bei dem Aufwachssubstrat handelt es sich beispielsweise um einen Wafer, auf welchem Halbleitermaterialien epitaktisch abscheidbar sind. Beispielsweise ist das Aufwachssubstrat mit Material gebildet, welches für im aktiven Bereich erzeugte elektromagnetische Strahlung transparent ist. Insbesondere umfasst das Aufwachssubstrat Saphir oder besteht es aus Saphir.
Der Halbleiterschichtenstapel ist epitaktisch auf dem Aufwachssubstrat abgeschieden. Der Halbleiterschichtenstapel umfasst Halbleitermaterial, insbesondere III-V-Halbleitermaterial. Der aktive Bereich weist beispielsweise zumindest eine Quantentopfstruktur auf, in welcher im bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetische Strahlung erzeugt wird. An dem halbleitenden Bereich erster Art und dem halbleitenden Bereich zweiter Art ist der Halbleiterschichtenstapel elektrisch leitend anschließbar. Im bestimmungsgemäßen Betrieb des optoelektronischen Halbleiterchips wird Strom in den Halbleiterschichtenstapel eingeprägt, sodass im aktiven Bereich elektromagnetische Strahlung erzeugt wird. Zumindest ein Teil der im aktiven Bereich erzeugten elektromagnetischen Strahlung wird durch die Abstrahlfläche des optoelektronischen Halbleiterchips emittiert.
Der Halbleiterschichtenstapel ist mit dem halbleitenden Bereich erster Art einer ersten Hauptfläche des Aufwachssubstrats zugewandt. Beispielsweise stehen der halbleitende Bereich erster Art und das Substrat an der ersten Hauptfläche des Substrats in direktem Kontakt miteinander. Auf einer vom Substrat abgewandten Seite des halbleitenden Bereichs erster Art ist beispielsweise der aktive Bereich angeordnet und auf einer vom halbleitenden Bereich erster Art abgewandten Seite des aktiven Bereichs ist beispielsweise der halbleitende Bereich zweiter Art angeordnet. Insbesondere ist der Halbleiterschichtenstapel auf dem Aufwachssubstrat epitaktisch aufgewachsen.
Der Halbleiterchip ist dazu eingerichtet, im aktiven Bereich elektromagnetische Strahlung zu erzeugen und durch die Abstrahlfläche zu emittieren. Bei der Abstrahlfläche handelt es sich um eine zusammengesetzte Fläche, welche mehrere Teilflächen umfasst. Die Abstrahlfläche ist beispielsweise aus mehreren Teilen von Außenflächen des Halbleiterschichtenstapels und/oder des Aufwachssubstrats zusammengesetzt. Im bestimmungsgemäßen Betrieb wird im aktiven Bereich erzeugte elektromagnetische Strahlung innerhalb des Halbleiterschichtenstapels und/oder des Aufwachssubstrats mehrfach reflektiert, bevor die Strahlung durch die Abstrahlfläche austritt. Insbesondere tritt zumindest ein Großteil der im aktiven Bereich erzeugten elektromagnetischen Strahlung durch die Abstrahlfläche aus dem Halbleiterchip aus. Beispielsweise durchtritt zumindest 80%, bevorzugt zumindest 90%, der im aktiven Bereich erzeugten elektromagnetischen Strahlung die Abstrahlfläche.
Die Abstrahlfläche weist eine Extraktionsverstärkungsfläche auf. Die Extraktionsverstärkungsfläche ist eine Teilfläche der Abstrahlfläche, in welcher beispielsweise lichtabsorbierende Strukturen des Halbleiterschichtenstapels zumindest teilweise entfernt sind. Dazu ist im Bereich der Extraktionsverstärkungsfläche die erste Hauptfläche des Aufwachssubstrats frei von dem Halbleiterschichtenstapel oder im Bereich der Extraktionsverstärkungsfläche eine von der ersten Hauptfläche abgewandte Seite des halbleitenden Bereichs erster Art frei von dem halbleitenden Bereich zweiter Art und dem aktiven Bereich. Beispielsweise ist der Halbleiterschichtenstapel im Bereich der Extraktionsverstärkungsfläche vollständig von dem Aufwachssubstrat entfernt. Bei einer anderen Ausführungsform sind im Bereich der Extraktionsverstärkungsfläche beispielsweise der aktive Bereich und der halbleitende Bereich zweiter Art vollständig entfernt und der halbleitende Bereich erster Art zumindest teilweise entfernt.
Einem hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchip liegen unter anderem die folgenden Überlegungen zugrunde. Um möglichst helle optoelektronische Halbleiterchips bereitzustellen, wird häufig die Chiphöhe vergrößert, um möglichst große Seitenwände des Aufwachssubstrats und des Halbleiterschichtenstapels bereitzustellen, sodass durch die Seitenwände ein möglichst großer Teil der im aktiven Bereich erzeugten elektromagnetischen Strahlung auskoppelbar ist. Eine weitere Maßnahme zur Verbesserung der elektrischen und optischen Eigenschaften von optoelektronischen Halbleiterchips ist darauf gerichtet, einen möglichst großen aktiven Bereich bereitzustellen, sodass der Halbleiterchip bei einer besonders geringen Stromdichte betreibbar ist. Da im Allgemeinen die interne Quanteneffizienz mit wachsender Stromdichte abnimmt und umgekehrt durch eine größere Fläche des aktiven Bereichs die Stromdichte reduziert und damit die Effizienz gesteigert werden kann, sind Maßnahmen zur Erhöhung der Helligkeit von Halbleiterchips im Allgemeinen auf eine Vergrößerung des aktiven Bereichs gerichtet.
Der hier beschriebene optoelektronische Halbleiterchip macht unter anderem von der Idee Gebrauch, einen Teil der Abstrahlfläche des optoelektronischen Halbleiterchips als Extraktionsverstärkungsfläche bereitzustellen. Im Bereich der Extraktionsverstärkungsfläche sind lichtabsorbierende Schichten des Halbleiterchips, insbesondere auch der aktive Bereich, teilweise oder vollständig entfernt, sodass dort elektromagnetische Strahlung besonders effizient auskoppelbar ist. Insbesondere werden die äußeren Abmessungen des optoelektronischen Halbleiterchips gegenüber herkömmlichen Chips um die Abmessungen der Extraktionsverstärkungsfläche erhöht. Alternativ wird bei gegenüber herkömmlichen Chips gleichbleibenden äußeren Abmessungen des Chips der aktive Bereich verkleinert, um eine Extraktionsverstärkungsfläche bereitzustellen.
Vorteilhafterweise wird aus dem hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchip in dessen aktiven Bereich erzeugte elektromagnetische Strahlung besonders effizient durch die Abstrahlfläche ausgekoppelt.
Gemäß einer Ausführungsform bildet die Extraktionsverstärkungsfläche zumindest 10% der Abstrahlfläche. Insbesondere bildet die Extraktionsverstärkungsfläche zumindest 20%, bevorzugt zumindest 30% der Abstrahlfläche. In Draufsicht auf den Halbleiterchip nimmt die Extraktionsverstärkungsfläche beispielsweise zumindest 10%, insbesondere zumindest 20%, bevorzugt zumindest 30% der Fläche des Halbleiterchips ein.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Extraktionsverstärkungsfläche mit einer von der ersten Hauptfläche abgewandten Seite des halbleitenden Bereichs erster Art gebildet und die Extraktionsverstärkungsfläche verläuft im Wesentlichen parallel zu der ersten Hauptfläche. Der Halbleiterchip kann eine Mesastruktur mit Seitenflächen aufweisen, welche die seitlichen Flanken des Halbleiterchips bilden. Insbesondere umfasst die Extraktionsverstärkungsfläche keine Seitenflächen des optoelektronischen Halbleiterchips. Beispielsweise sind im Bereich der Extraktionsverstärkungsfläche der aktive Bereich und der halbleitende Bereich zweiter Art zumindest teilweise entfernt. An einer vom Aufwachssubstrat abgewandten Seite des Halbleiterschichtenstapels kann eine transparente leitfähige Oxidschicht angeordnet sein, die beispielsweise Indiumzinnoxid (englische Abkürzung: ITO) umfasst. Insbesondere ist die Extraktionsverstärkungsfläche frei von der Oxidschicht.
Gemäß einer Ausführungsform ist auf der Abstrahlfläche eine lichtundurchlässige Schicht angeordnet, wobei die Extraktionsverstärkungsfläche frei von der lichtundurchlässigen Schicht ist. Mit der lichtundurchlässigen Schicht kann beispielsweise eine Kontaktstruktur zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterchips gebildet sein, die an einer von dem Aufwachssubstrat abgewandten Seite des Halbleiterschichtenstapels angeordnet ist. Insbesondere ist die Extraktionsverstärkungsfläche in Draufsicht frei von elektrisch leitenden Strukturen zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterschichtenstapels.
Gemäß der vorhergehenden Ausführungsform beträgt ein minimaler Abstand zwischen der Extraktionsverstärkungsfläche und der lichtundurchlässigen Schicht entlang der Abstrahlfläche zumindest 10 µm. Insbesondere beträgt der minimale Abstand zumindest 25 µm, bevorzugt zumindest 50 µm.
Vorteilhafterweise wird mittels des Abstands Absorption von elektromagnetischer Strahlung, welche durch die Extraktionsverstärkungsfläche emittiert wird, an der lichtundurchlässigen Schicht verringert. Insbesondere grenzt die Extraktionsverstärkungsfläche an Teilbereiche des Halbleiterschichtenstapels, in denen eine besonders hohe Lichtstärke vorliegt.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Extraktionsverstärkungsfläche eine Strukturierung auf. Bei der Strukturierung handelt es sich beispielsweise um eine Aufrauhung im Bereich der Extraktionsverstärkungsfläche, mittels der gegenüber einer glatten Oberfläche die Wahrscheinlichkeit zur Auskopplung der elektromagnetischen Strahlung erhöht wird. Beispielsweise ist die Strukturierung an der ersten Hauptfläche des Aufwachssubstrats ausgebildet. Insbesondere kann es sich bei der Strukturierung um die Oberfläche eines strukturierten Saphirsubstrats (auf Englisch: Patterned Saphire Substrate, Abgekürzt: PSS) handeln. Alternativ kann die Strukturierung an einer dem Aufwachssubstrat abgewandten Oberfläche des halbleitenden Bereichs erster Art ausgebildet sein. Beispielsweise ist die Strukturierung an der Oberfläche des halbleitenden Bereichs erster Art mittels eines Ätzverfahrens hergestellt.
Gemäß einer Ausführungsform bedeckt die Strukturierung die erste Hauptfläche vollständig. Insbesondere kann die Strukturierung pyramidenförmig, kegelförmig oder kuppelförmig ausgebildete Erhebungen umfassen, die entlang der Extraktionsverstärkungsfläche periodisch ausgebildet sind.
Beispielsweise weisen die Erhebungen jeweils eine Höhe zwischen einschließlich 0.65 µm und einschließlich 2 µm auf. Die Erhebungen können entlang der Extraktionsverstärkungsfläche eine Breite zwischen einschließlich 1 µm und einschließlich 3 µm aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Aufwachssubstrat von einer dem Halbleiterschichtenstapel abgewandten Seite her gedünnt, wobei das Aufwachssubstrat maximal eine mittlere Dicke von einschließlich 300 µm aufweist. Die Dicke wird senkrecht zur ersten Hauptfläche gemessen. Das Aufwachssubstrat kann mittels eines Ätzverfahrens oder mittels Polierens von einer dem Halbleiterschichtenstapel abgewandten Seite her gedünnt sein. Insbesondere wird das Aufwachssubstrat beim Dünnen vollflächig abgetragen, sodass die zweite Hauptfläche des Aufwachssubstrats plan ist. Das Aufwachssubstrat weist beispielsweise maximal eine mittlere Dicke von einschließlich 300 µm, bevorzugt einschließlich 250 µm auf. Vorteilhafterweise ermöglicht das Dünnen eine besonders geringe Höhe des optoelektronischen Halbleiterchips.
Gemäß einer Ausführungsform ist auf Seitenflächen des Aufwachssubstrats eine reflektierende Schicht angeordnet, wobei Seitenflächen die erste Hauptfläche und eine von der ersten Hauptfläche abgewandte zweite Hauptfläche miteinander verbinden. Die reflektierende Schicht ist für im aktiven Bereich erzeugte elektromagnetische Strahlung reflektierend. Beispielsweise weist die reflektierende Schicht für im aktiven Bereich erzeugte Strahlung eine Reflektivität von zumindest 80% auf. Das Aufwachssubstrat kann entlang seiner Haupterstreckungsebene vollständig von der reflektierenden Schicht umgeben sein. Insbesondere steht die reflektierende Schicht in direktem Kontakt mit den Seitenflächen des Aufwachssubstrats. Die reflektierende Schicht kann Chromoxid und/oder Titanoxid umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein Vergusskörper auf der Abstrahlfläche des Halbleiterchips angeordnet, wobei der Vergusskörper im Bereich der Extraktionsverstärkungsfläche in direktem Kontakt mit der Abstrahlfläche steht. Beispielsweise umfasst der Vergusskörper ein Silikon. Insbesondere umfasst der Vergusskörper ein Konversionsmaterial, welches dazu eingerichtet ist im aktiven Bereich erzeugte elektromagnetische Strahlung in elektromagnetische Strahlung eines langwelligeren Wellenlängenbereichs umzuwandeln. Beispielsweise ist die Abstrahlfläche vollständig von dem Vergusskörper überdeckt. Vorteilhafterweise ermöglicht die Strukturierung im Bereich der Extraktionsverstärkungsfläche eine besonders stabile mechanische Verbindung zwischen dem Vergusskörper und der Abstrahlfläche.
Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips angegeben. Mit dem Verfahren kann insbesondere ein hier beschriebener optoelektronischer Halbleiterchip hergestellt werden. Das heißt, sämtliche für den optoelektronischen Halbleiterchip offenbarten Merkmale sind auch für das Verfahren offenbart und umgekehrt.
Bei dem Verfahren wird in einem Verfahrensschritt a) ein Aufwachssubstrat bereitgestellt. Beispielsweise handelt es sich bei dem Aufwachssubstrat um einen Wafer, der Saphir umfasst.
In einem Verfahrensschritt b) wird auf der ersten Hauptfläche des Aufwachssubstrats ein Halbleiterschichtenstapel mit einem halbleitenden Bereich zweiter Art, einem aktiven Bereich und einem halbleitenden Bereich erster Art aufgewachsen. Insbesondere wird als erstes der halbleitende Bereich erster Art, anschließend der aktive Bereich und anschließend der halbleitende Bereich zweiter Art epitaktisch abgeschieden. Beispielsweise wird der Halbleiterschichtenstapel auf der gesamten ersten Hauptfläche des Aufwachssubstrats abgeschieden, sodass die gesamte erste Hauptfläche des Aufwachssubstrats von dem Halbleiterschichtenstapel überdeckt ist.
In einem Verfahrensschritt c) wird eine Extraktionsverstärkungsfläche mittels Entfernens von Teilen des Halbleiterschichtenstapels erzeugt, wobei im Bereich der Extraktionsverstärkungsfläche der halbleitende Bereich zweiter Art und der aktive Bereich vollständig entfernt werden und der halbleitende Bereich erster Art zumindest teilweise entfernt wird. Beispielsweise werden der halbleitende Bereich zweiter Art, der halbleitende Bereich erster Art und der aktive Bereich mittels eines Ätzverfahrens entfernt. Insbesondere ist an einer vom Aufwachssubstrat abgewandten Seite des Halbleiterschichtenstapels eine transparente leitfähige Schicht angeordnet, welche beim Verfahrensschritt c) im Bereich der Extraktionsverstärkungsfläche entfernt wird.
Gemäß einer Ausführungsform wird im Verfahrensschritt c) der Halbleiterschichtenstapel im Bereich der Extraktionsverstärkungsfläche vollständig entfernt. Insbesondere ist im Bereich der Extraktionsverstärkungsfläche die erste Hauptfläche des Aufwachssubstrats vollständig freigelegt.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Aufwachssubstrat in Verfahrensschritt a) an der ersten Hauptfläche eine Strukturierung auf. Beispielsweise handelt es sich bei der Strukturierung um eine Strukturierung des Aufwachssubstrats. Insbesondere ist das Aufwachssubstrat ein strukturierter Saphir-Wafer (auf Englisch: Patterned Saphire Substrate) mit einer Vielzahl von Erhebungen, die periodisch entlang der Extraktionsverstärkungsfläche angeordnet sind.
Gemäß einer Ausführungsform ist eine Abstrahlfläche mit der Extraktionsverstärkungsfläche und einer dem Aufwachssubstrat abgewandten Oberfläche des Halbleiterschichtenstapels gebildet, wobei nach Verfahrensschritt c) in einem Verfahrensschritt d) ein Vergusskörper auf der Abstrahlfläche angeordnet wird. Insbesondere bedeckt der Vergusskörper die Abstrahlfläche vollständig. Beispielsweise steht der Vergusskörper zumindest teilweise in direktem Kontakt mit der Extraktionsverstärkungsfläche.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des optoelektronischen Halbleiterchips und des Verfahrens zum Herstellen des optoelektronischen Halbleiterchips ergeben sich aus den folgenden, im Zusammenhang mit den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen die 1, 2 und 3 jeweils eine schematische Schnittansicht eines optoelektronischen Halbleiterchips, welcher mit dem hier beschriebenen Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Halbleiterchips hergestellt ist.
Es zeigen die 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F und 4G jeweils eine schematische Draufsichte auf die Abstrahlfläche eines optoelektronischen Halbleiterchips gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Gleiche, gleichartige oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
Die 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Insbesondere kann der optoelektronische Halbleiterchip 1 mittels eines hier beschriebenen Herstellungsverfahrens hergestellt sein. Im Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Halbleiterchips 1 wird in einem Verfahrensschritt a) ein Aufwachssubstrat 20 bereitgestellt. Das Aufwachssubstrat 20 weist an der ersten Hauptfläche 20a eine Vielzahl von Erhebungen auf. Die Erhebungen sind kegelförmig und sind entlang der ersten Hauptfläche periodisch angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel bilden die Erhebungen eine Strukturierung 21.
In einem Verfahrensschritt b) wird ein Halbleiterschichtenstapel 30 mit einem halbleitenden Bereich zweiter Art 33, einem aktiven Bereich 31 und einem halbleitenden Bereich erster Art 32 auf der ersten Hauptfläche 20a des Aufwachssubstrats 20 angeordnet. Dabei wird das Aufwachssubstrat 20 an seiner ersten Hauptfläche 20a vollständig von dem Halbleiterschichtenstapel 30 überdeckt. Der halbleitende Bereich erster Art 32 steht in direktem Kontakt mit der ersten Hauptfläche 20a des Aufwachssubstrats 20. Die Stapelrichtung des Halbleiterschichtenstapels 30 verläuft dabei senkrecht zur ersten Hauptfläche 20a des Aufwachssubstrats 20. Nach dem Aufwachsen des Halbleiterschichtenstapels 30 wird eine transparente leitfähige Oxidschicht 41 auf einer dem Aufwachssubstrat 20 abgewandten Seite des Halbleiterschichtenstapels 30 angeordnet. Des Weiteren wird auf einer dem Aufwachssubstrat 20 abgewandten Seite des Halbleiterschichtenstapels 30 eine der lichtundurchlässigen Schicht 40 angeordnet. Mit der lichtundurchlässigen Schicht 40 kann eine Kontaktstruktur gebildet werden, mittels der ein Strom in den Halbleiterschichtenstapel 30 einprägbar ist.
In einem Verfahrensschritt c) wird eine Extraktionsverstärkungsfläche 11 mittels Entfernens von Teilen des Halbleiterschichtenstapels 30 erzeugt. Dabei werden im Bereich der Extraktionsverstärkungsfläche 11 der halbleitende Bereich zweiter Art 33 und der aktive Bereich 31 mittels Ätzens vollständig entfernt. Insbesondere wird in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der gesamte Halbleiterschichtenstapel 30 im Bereich der Extraktionsverstärkungsfläche 11 vollständig entfernt. Insbesondere wird beim Entfernen des Halbleiterschichtenstapels 30 die Strukturierung 21 des Aufwachssubstrats 20 teilweise freigelegt. Die Extraktionsverstärkungsfläche 11 und die von dem Aufwachssubstrat 20 abgewandte Fläche des Halbleiterschichtenstapels 30 bilden die Abstrahlfläche 1a des optoelektronischen Halbleiterchips 1.
In einem Verfahrensschritt d) wird ein Vergusskörper 70 auf der Abstrahlfläche 1a angeordnet. Der Vergusskörper 70 umfasst beispielsweise ein Silikonmaterial und weist beispielsweise einen Konversionsstoff auf, welcher dazu eingerichtet ist im aktiven Bereich 31 des Halbleiterschichtenstapels erzeugte elektromagnetische Strahlung in elektromagnetische Strahlung eines langwelligeren Wellenlängenbereichs umzuwandeln. Der Vergusskörper 70 steht in direktem Kontakt mit der Extraktionsverstärkungsfläche 11. Vorteilhafterweise ist die mechanische Verbindung zwischen dem Vergusskörper 70 und der Extraktionsverstärkungsfläche 11 aufgrund der Strukturierung 21 besonders stabil.
Das Aufwachssubstrat 20 wird mit einer der ersten Hauptfläche gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche 20b auf einem Träger 50 angeordnet, welcher beispielsweise ein reflektierendes Material aufweist. Der Träger 50 überragt das Aufwachssubstrat 20 entlang seiner Haupterstreckungsebene, sodass auf dem Träger 50 neben dem Aufwachssubstrat 20 eine reflektierende Schicht 60 anordenbar ist. Die reflektierende Schicht 60 steht in direktem Kontakt mit einer Seitenfläche 20c des Aufwachssubstrats. Die Seitenfläche 20c verbindet die erste Hauptfläche 20a und die zweite Hauptfläche 20b des Aufwachssubstrats 20. Die reflektierende Schicht 60 weist beispielsweise mit ein Silikonmaterial auf, welches mit Titanoxidpartikeln gefüllt ist.
Der optoelektronische Halbleiterchip 1 umfasst also einen Halbleiterschichtenstapel 30 mit einem aktiven Bereich 31, einem halbleitenden Bereich erster Art 32 und einem halbleitenden Bereich zweiter Art 33 und einer Abstrahlfläche 1a. Der Halbleiterschichtenstapel 30 ist mit dem halbleitenden Bereich erster Art 32 an der ersten Hauptfläche 20a des Aufwachssubstrats 20 angeordnet. Der Halbleiterchip 1 ist dazu eingerichtet im aktiven Bereich 31 elektromagnetische Strahlung L zu erzeugen und durch die Abstrahlfläche 1a zu emittieren. Die Abstrahlfläche 1a weist eine Extraktionsverstärkungsfläche 11 auf, wobei im Bereich der Extraktionsverstärkungsfläche 11 die erste Hauptfläche 20a von dem Halbleiterschichtenstapel 30 freigelegt ist. Im bestimmungsgemäßen Betrieb des lichtemittierenden Halbleiterchips 1 breitet sich zumindest ein Teil der im aktiven Bereich 31 erzeugten elektromagnetischen Strahlung L in Richtung der zweiten Hauptfläche 20b des Aufwachssubstrats 20 aus. Zumindest ein Teil der elektromagnetischen Strahlung L breitet sich innerhalb des Aufwachssubstrats 20 in Richtung der Seitenflächen 20c aus. Dabei wird die elektromagnetische Strahlung L innerhalb des Aufwachssubstrats 20 zumindest teilweise mehrfach reflektiert und teilweise durch die Extraktionsverstärkungsfläche 11 emittiert.
Die 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Teils eines optoelektronischen Halbleiterchips 1 gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels. In diesem Ausführungsbeispiel wurde das Aufwachssubstrat in einem weiteren Verfahrensschritt, welcher nach dem Verfahrensschritt b) durchgeführt wird, von einer der ersten Hauptfläche 20a gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche 20b her gedünnt. Beispielsweise ist zum Dünnen das Aufwachssubstrat 20 mittels eines Polierverfahrens oder mittels eines Ätzverfahrens an der zweiten Hauptfläche 20b vollflächig abgetragen. Das Aufwachssubstrat 20 weist maximal eine mittlere Dicke D von einschließlich 100 µm auf. An der ersten Hauptfläche 20a weist das Aufwachssubstrat 20 die Strukturierung 21 auf, welche mit den sich über die gesamte erste Hauptfläche 20a erstreckenden Erhebungen des Aufwachssubstrats 20 gebildet ist. Insbesondere ist die Strukturierung 21 mit dem gleichen Material wie das Aufwachssubstrat 20 selbst gebildet. Folglich wird die Strukturierung 21 als Teil des Aufwachssubstrats 20 angesehen und trägt somit zur mittleren Dicke D des Aufwachssubstrats 20 bei.
Auf der dem Aufwachssubstrat 20 abgewandten Oberfläche ist eine transparente leitfähige Oxidschicht 41 und eine lichtundurchlässige Schicht 40 angeordnet. Die lichtundurchlässige Schicht umfasst beispielsweise ein Metall und dient zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterchips. Die Oxidschicht 41 bedeckt die dem Aufwachssubstrat 20 abgewandte Oberfläche des Halbleiterschichtenstapels 30 vollständig.
Die 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Halbleiterchips 1. Im Bereich der Extraktionsverstärkungsfläche 11 ist eine von der ersten Hauptfläche 20a abgewandte Seite des halbleitenden Bereichs erster Art 32 von dem halbleitenden Bereich zweiter Art und dem aktiven Bereich 31 freigelegt. Insbesondere ist ein Teil des halbleitenden Bereichs erster Art 32 innerhalb der Extraktionsverstärkungsfläche 11 entfernt. Im Unterschied zu dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Extraktionsverstärkungsfläche 11 mit einem Teil der Oberfläche des halbleitenden Bereichs erster Art 32 gebildet. An der Oberfläche des halbleitenden Bereichs erster Art 32 ist die Strukturierung 21 angeordnet. Die Strukturierung 21 ist dazu eingerichtet die Auskopplung der elektromagnetischen Strahlung L zu verbessern. Die Extraktionsverstärkungsfläche 11 verläuft parallel zu der ersten Hauptfläche 20a und ist vollständig mit dem Material des halbleitenden Bereichs erster Art 32 gebildet.
Auf einer dem Aufwachssubstrat 20 abgewandten Seite des Halbleiterschichtenstapels 30 ist die lichtundurchlässige Schicht 40 angeordnet. Insbesondere ist die Extraktionsverstärkungsfläche 11 frei von der lichtundurchlässigen Schicht 40. Die lichtundurchlässige Schicht 40 ist um einen Abstand A von der Extraktionsverstärkungsfläche beabstandet angeordnet. Der Abstand A beträgt zumindest 10 µm, bevorzugt zumindest 25 µm.
Die 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F und 4G zeigen schematische Draufsichten auf die Abstrahlfläche 1a unterschiedlicher Ausführungsformen eines optoelektronischen Halbleiterchips 1.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß der 4A sind die Extraktionsverstärkungsflächen 11 in den Bereichen angeordnet, in denen während des Betriebs eine besonders geringe Stromdichte innerhalb eines quaderförmigen Halbleiterschichtenstapels 30 erreicht werden würde. In Draufsicht sind zum Ausbilden der Extraktionsverstärkungsflächen 11 die Halbleiterschichten in den Eckenbereichen der Abstrahlfläche 1a zumindest teilweise entfernt.
Bei dem in 4B dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Abstrahlfläche 1a zwei rechteckige Extraktionsverstärkungsflächen 11. Die Extraktionsverstärkungsflächen 11 sind jeweils entlang der Haupterstreckungsebene des Halbleiterchips 1 vollständig von dem Halbleiterschichtenstapel 30 umgeben.
Die 4C zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem der Randbereich eines rechteckigen lichtemittierenden Halbleiterchips 1 als Extraktionsverstärkungsfläche 11 ausgebildet ist. Der Halbleiterschichtenstapel 30 ist entlang der Haupterstreckungsebene des lichtemittierenden Halbleiterchips 1 vollständig von der Extraktionsverstärkungsfläche 11 umgeben. Auf dem Halbleiterschichtenstapel 30 ist die lichtundurchlässige Schicht 40 beispielhaft angeordnet. Im bestimmungsgemäßen Betrieb wird der lichtemittierende Halbleiterchip 1 über die lichtundurchlässige Schicht 40 elektrisch leitend kontaktiert. Die lichtundurchlässige Schicht 40 ist beabstandet von der Extraktionsverstärkungsfläche 11 angeordnet.
Die in 4D in Draufsicht gezeigte Abstrahlfläche 1a eines lichtemittierenden Halbleiterchips 1 ist quadratisch ausgebildet und weist im Zentrum eine kreisförmige Extraktionsverstärkungsfläche 11 auf. Die Extraktionsverstärkungsfläche 11 ist entlang der Haupterstreckungsebene des lichtemittierenden Halbleiterchips 1 vollständig von dem Halbleiterschichtenstapel 30 umgeben.
Bei dem in 4E in Draufsicht gezeigten Ausführungsbeispiel weist die rechteckige Abstrahlfläche 1a eine Vielzahl von kreisförmigen Extraktionsverstärkungsflächen 11 auf, die in regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet sind. Die Extraktionsverstärkungsflächen 11 sind in Draufsicht jeweils vollständig von dem Halbleiterschichtenstapel 30 umgeben. Der Halbleiterschichtenstapel 30 ist zusammenhängend, insbesondere mehrfach zusammenhängend, ausgebildet.
Bei dem in 4F in Draufsicht gezeigten lichtemittierenden Halbleiterchip weist die rechteckige Abstrahlfläche 1a eine Vielzahl von rechteckigen Extraktionsverstärkungsflächen 11 auf, die in gleichmäßigen Abständen zueinander angeordnet sind. Die rechteckigen Extraktionsverstärkungsflächen 11 sind in Draufsicht auf die Abstrahlfläche 1a jeweils vollständig von dem Halbleiterschichtenstapel 30 umgeben. Der Halbleiterschichtenstapel 30 ist mehrfach zusammenhängend ausgebildet. Zusätzlich ist der Randbereich des lichtemittierenden Halbleiterchips als Extraktionsverstärkungsfläche 11 ausgebildet. Der Halbleiterschichtenstapel 30 ist entlang der Haupterstreckungsebene des lichtemittierenden Halbleiterchips 1 vollständig von der den Randbereich des Halbleiterchips bildenden Extraktionsverstärkungsfläche 11 umgeben.
Auf der Abstrahlfläche 1a ist eine lichtundurchlässige Schicht 40 angeordnet. Mittels der lichtundurchlässigen Schicht 40 sind zwei elektrische Kontaktstrukturen zur elektrisch Kontaktierung des Halbleiterchips 1 gebildet.
Bei dem in 4G gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst der lichtemittierende Halbleiterchip 1 zwei Halbleiterschichtenstapel 30, die senkrecht zu ihrer Stapelrichtung beabstandet zueinander angeordnet sind.
Auf der Abstrahlfläche 1a sind zwei elektrische Kontaktstrukturen zur elektrisch Kontaktierung des Halbleiterchips 1 angeordnet. Die Kontaktstrukturen sind mittels der lichtundurchlässigen Schicht 40 gebildet, die auf jedem der Halbleiterschichtenstapel 30 angeordnet ist. Die Halbleiterschichtenstapel 30 sind mittels der Kontaktstrukturen jeweils separat voneinander elektrisch leitend kontaktierbar.
Entlang der Abstrahlfläche 1a ist zwischen den Halbleiterschichtenstapeln 30 eine gemeinsame Extraktionsverstärkungsfläche 11 angeordnet. Im bestimmungsgemäßen Betrieb wird elektromagnetische Strahlung von beiden Halbleiterschichtenstapeln 30 durch die gemeinsame Extraktionsverstärkungsfläche 11 hindurch emittiert.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese 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: Halbleiterchip
1a: Abstrahlfläche
11: Extraktionsverstärkungsfläche
20: Aufwachssubstrat
20a: erste Hauptfläche
20b: zweite Hauptfläche
20c: Seitenfläche
21: Strukturierung
30: Halbleiterschichtenstapel
31: Aktiver Bereich
32: halbleitender Bereich zweiter Art
33: halbleitender Bereich erster Art
40: lichtundurchlässige Schicht
41: transparente leitfähige Oxidschicht
50: Träger
60: reflektierende Schicht
70: Vergusskörper
A: Abstand
D: mittlere Dicke
L: elektromagnetische Strahlung

Claims

Optoelektronischer Halbleiterchip (1) umfassend ein Aufwachssubstrat (20), einen Halbleiterschichtenstapel (30) mit einem aktiven Bereich (31), einem halbleitenden Bereich erster Art (32) und einem halbleitenden Bereich zweiter Art (33) und eine Abstrahlfläche (1a), bei dem - der Halbleiterschichtenstapel (30) mit dem halbleitenden Bereich erster Art (32) an einer ersten Hauptfläche (20a) des Aufwachssubstrats (20) angeordnet ist, - der Halbleiterchip (1) dazu eingerichtet ist, im aktiven Bereich (31) elektromagnetische Strahlung (L) zu erzeugen und durch die Abstrahlfläche (1a) zu emittieren, wobei - die Abstrahlfläche (1a) eine Extraktionsverstärkungsfläche (11) aufweist, - im Bereich der Extraktionsverstärkungsfläche (11) die erste Hauptfläche (20a) von dem Halbleiterschichtenstapel (30) freigelegt ist, oder - im Bereich der Extraktionsverstärkungsfläche (11) eine von der ersten Hauptfläche (20a) abgewandte Seite des halbleitenden Bereichs erster Art (32) frei von dem halbleitenden Bereich zweiter Art (33) und dem aktiven Bereich (31) ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem vorherigen Anspruch, bei dem die Extraktionsverstärkungsfläche (11) zumindest 10% der Abstrahlfläche (1a) bildet.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem - die Extraktionsverstärkungsfläche (11) mit einer von der ersten Hauptfläche (20a) abgewandten Seite des halbleitenden Bereichs erster Art (32) gebildet ist, und - die Extraktionsverstärkungsfläche (11) parallel zu der ersten Hauptfläche (20a) verläuft.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem - auf der Abstrahlfläche (1a) eine lichtundurchlässige Schicht (40) angeordnet ist, wobei - die Extraktionsverstärkungsfläche (11) frei von der lichtundurchlässigen Schicht (40) ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem vorherigen Anspruch, bei dem ein Abstand (A) zwischen der Extraktionsverstärkungsfläche (11) und der lichtundurchlässigen Schicht (40) entlang der Abstrahlfläche (1a) zumindest 10 µm beträgt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Extraktionsverstärkungsfläche (11) eine Strukturierung (21) aufweist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Strukturierung (21) die erste Hauptfläche (20a) vollständig bedeckt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Aufwachssubstrat (20) von einer dem Halbleiterschichtenstapel (10) abgewandten Seite gedünnt ist, wobei das Aufwachssubstrat (20) eine mittlere Dicke (D) von maximal 300 µm aufweist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem auf Seitenflächen (20c) des Aufwachssubstrats (20) eine reflektierenden Schicht (60) angeordnet ist, wobei Seitenflächen (20c) die erste Hauptfläche (20a) und eine von der ersten Hauptfläche (20a) abgewandte zweite Hauptfläche (20b) miteinander verbinden.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem - ein Vergusskörper (70) auf der Abstrahlfläche (1a) des Halbleiterchips (1) angeordnet ist, wobei - der Vergusskörper (70) im Bereich der Extraktionsverstärkungsfläche (11) in direktem Kontakt mit der Abstrahlfläche (1a) steht.
Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Halbleiterchips (1) mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellen eines Aufwachssubstrats (20); b) Aufwachsen eines Halbleiterschichtenstapels (30) mit einem halbleitenden Bereich zweiter Art (33), einem aktiven Bereich (31) und einem halbleitenden Bereich erster Art (32) auf einer ersten Hauptfläche (20a) des Aufwachssubstrats (20); c) Erzeugen einer Extraktionsverstärkungsfläche (11) mittels Entfernens von Teilen des Halbleiterschichtenstapels (30), wobei im Bereich der Extraktionsverstärkungsfläche (11) der halbleitende Bereich zweiter Art (33) und der aktive Bereich (31) vollständig entfernt werden und der halbleitende Bereich erster Art (32) zumindest teilweise entfernt wird.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei in Verfahrensschritt c) der Halbleiterschichtenstapel (30) im Bereich der Extraktionsverstärkungsfläche (11) vollständig entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Aufwachssubstrat (20) in Verfahrensschritt a) an der ersten Hauptfläche (20a) eine Strukturierung (21) aufweist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Abstrahlfläche (1a) mit der Extraktionsverstärkungsfläche (11) und einer dem Aufwachssubstrat (20) abgewandten Oberfläche (10a) des Halbleiterschichtenstapels (10) gebildet ist, und - nach Verfahrensschritt c) in einem Verfahrensschritt d) ein Vergusskörper (70) auf der Abstrahlfläche (1a) angeordnet wird.